Каких
только характеристик в самых превосходных степенях ни удостоился так
называемый Большой адронный коллайдер – ускоритель заряженных частиц,
построенный недавно в Швейцарии в окрестностях Женевы! Это и самый
дорогостоящий в мире инструмент для физических экспериментов, и самое
крупное в мире исследовательское сооружение, и самое впечатляющее
достижение инженерной мысли. Нисколько не преуменьшая значение этого,
безусловно, выдающегося проекта и отнюдь не посягая на его титул самого
дорогостоящего в мире, я должен, однако, внести поправку, касающуюся
размеров: право именоваться самым крупным в мире
научно-исследовательским сооружением принадлежит всё же не Большому
адронному коллайдеру, а Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger),
расположенной на плато Пампа-Амарилья на юго-западе Аргентины. Вернее,
там расположена только южная часть этой Обсерватории, однако уже и она с
полным на то основанием может считаться крупнейшей в мире
научно-исследовательской установкой, поскольку занимает территорию около
3-тысяч квадратных километров. Идею создания этой весьма необычной
обсерватории выдвинули в 1992-м году американский физик, нобелевский
лауреат Джеймс Кронин (James Cronin) и его британский коллега Алан
Уотсон (Alan Watson). Строительство началось 10 лет назад, и вот,
наконец, в пятницу 14-го ноября в Маларгуэ в провинции Мендоса
состоялась торжественная церемония по поводу успешного завершения
первого этапа проекта. Одновременно эта церемония ознаменовала и начало
второго этапа, который предусматривает возведение северной части
Обсерватории в США, в штате Колорадо.
Напомню:
Обсерватория имени Пьера Оже имеет мало общего с тем, что у большинства
людей обычно ассоциируется с понятием "астрономическая обсерватория".
Она представляет собой, прежде всего, множество разбросанных по
просторам аргентинских пампасов так называемых черенковских детекторов.
Участвующий в реализации проекта немецкий физик Маркус Рот (Markus Roth)
из Технологического института в Карлсруэ, с гордостью похлопывая рукой
по жёлто-оранжевой цистерне довольно внушительных размеров, поясняет:
Вот это один из наших замечательных черенковских водяных
детекторов – резервуар цилиндрической формы диаметром 6 метров и высотой
1,2 метра. Резервуар заполнен высокочистой водой – здесь её 12 тонн. И
таких цистерн мы установили 1600 штук – на расстоянии в 1,5 километра
друг от друга.
Конечно, эти
черенковские детекторы – не просто цистерны с водой. Каждый из
резервуаров оборудован солнечной батареей в качестве источника питания, а
кроме того – весьма сложной электроникой, включающей 3 фотоумножителя, и
антенной высотой в 3 с лишним метра с соответствующим
радиопередатчиком. Столь необычное устройство Обсерватории имени Пьера
Оже объясняется её необычным предназначением: она должна регистрировать
не видимый свет космических объектов, не рентгеновское или инфракрасное
излучение и не радиосигналы, а космические частицы сверхвысоких энергий.
Вообще космическое излучение содержит разные частицы – прежде всего,
протоны, то есть ядра атома водорода, но и ядра атомов некоторых более
тяжёлых элементов, а также электроны и позитроны. Единицей измерения
энергии этих частиц служит электрон-вольт. Это очень малая величина,
примерно соответствующая кванту видимого света. Однако приходящее из
глубин Вселенной излучение состоит из частиц с очень разными энергиями.
Частицы малых и средних энергий исследованы неплохо – уже хотя бы
потому, что их проще наблюдать и они встречаются гораздо чаще, чем
частицы высоких и особенно сверхвысоких энергий. Эти последние
составляют ничтожную долю в общем объёме космического излучения, однако
именно они и представляют для учёных главный интерес. Есть среди них и
такие, энергия которых достигает 10 в 20-й степени электрон-вольт. Это
немалая энергия, особенно если иметь в виду, что вся она сосредоточена в
одной ничтожно малой частице. Британский физик Алан Уотсон, профессор
университета в Лидсе и один из инициаторов создания Обсерватории имени
Пьера Оже, поясняет:
Эти космические частицы обладают энергией теннисного мяча,
летящего со скоростью сто километров в час. Влетая в атмосферу Земли,
такая частица на высоте в несколько десятков километров сталкивается с
каким-нибудь из атомов воздуха, в результате чего возникает целый каскад
новых частиц. По мере приближения к поверхности Земли этот поток
нарастает и на Земле покрывает уже площадь в 20 квадратных километров.
Если эти частицы попадают в наши резервуары с водой, возникают
специфические мини-вспышки, так называемые сцинтилляции, которые мы
усиливаем фотоумножителями и регистрируем. Сопоставляя данные,
поступающие от разных резервуаров, мы можем вычислить направление, из
которого прибыл весь этот поток частиц, и какова была энергия
космической частицы, его породившей.
Таким
образом, космические частицы сверхвысоких энергий, то есть с энергией
выше 10 в 14-й степени электрон-вольт, прямому наблюдению не поддаются.
Их приходится регистрировать и изучать косвенно, на основе порождённых
ими потоков вторичных частиц – специалисты называют эти потоки широкими
атмосферными ливнями. Кстати, их первооткрывателем был французский
физик-ядерщик Пьер Виктор Оже, именем которого и названа обсерватория в
Аргентине. Нужно сказать, что изучать космические частицы сверхвысоких
энергий отнюдь не так просто, как может показаться из кратких объяснений
профессора Уотсона. Уже описанные ранее черенковские детекторы с
фотоумножителями – они названы там в честь советского физика, лауреата
Нобелевской премии Павла Черенкова, поскольку в основе их действия лежит
открытый им и также носящий его имя эффект, – представляют собой лишь
одну группу регистрирующих систем – так называемую группу поверхностных
детекторов. Обсерватория имени Пьера Оже включает также группу
флуоресцентных детекторов, которая состоит из 24-х оптических зеркальных
телескопов, из четырёх точек просматривающих небо над всей этой сетью
поверхностных детекторов. Их назначение состоит в регистрации
изотропного флуоресцентного свечения атомов азота, которым
сопровождается прохождение через атмосферу широкого атмосферного ливня.
Правда, это свечение настолько слабое, что флуоресцентные детекторы
функционируют только в безлунные ночи, а они составляет здесь лишь 15
процентов всего времени. Зато такие детекторы гораздо точнее
поверхностных. Данные, регистрируемые всеми детекторами – как
поверхностными, так и флуоресцентными, – преобразуются в радиосигналы и
благодаря интегрированным в детекторы передатчикам и антеннам поступают в
вычислительный центр, где и обрабатываются. Правда, обрабатывать данные
учёным приходится, к сожалению, отнюдь не так часто, как им хотелось
бы, несмотря на то, что Обсерватория занимает территорию в 3 тысячи
квадратных километров. Маркус Рот поясняет:
Столь гигантская площадь необходима потому, что частицы,
которые мы ищем и надеемся найти, встречаются чрезвычайно редко – одна
частица на один квадратный километр раз в сто лет. Если соотнести эти
параметры с общей площадью Обсерватории, то получится, что в среднем мы
можем рассчитывать на регистрацию 30-ти частиц сверхвысоких энергий в
год.
Хотя официально
первая часть Обсерватории была введена в строй лишь неделю назад,
наблюдения здесь ведутся уже 4 года. Правда, учёным приходилось
довольствоваться более скромным количеством детекторов. Возможно, именно
поэтому им удалось зарегистрировать гораздо меньше интересующих их
широких атмосферных ливней, чем предсказывала теория – не 30 в год, а 27
за 3 года – с 2004 по 2007. Однако группе под руководством профессора
Уотсона этого вполне хватило для весьма интересного вывода. – или даже,
если хотите, для открытия. Сам учёный излагает его суть так:
Мы
полагаем, что источником этих космических частиц являются активные
галактические ядра – сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик по
соседству с нами, то есть на расстоянии до 300 миллионов световых лет.
По космическим меркам это не так уж далеко. Чёрные дыры в этих
галактиках в миллиард раз превосходят по массе наше Солнце. Мы полагаем,
что энергия этих дыр каким-то образом передаётся космическим частицам.
"Каким-то
образом"... Но каким? Космические частицы, как оказалось, могут обладать
энергией, в миллионы раз превышающей ту, что способен придать ей самый
мощный современный рукотворный ускоритель. Неясно даже, рождаются ли эти
частицы такими сверхэнергичными или набирают энергию в ходе того или
иного процесса. Видимо, астрофизикам известны пока не все механизмы
разгона частиц, а из тех, что известны и достаточно хорошо изучены –
или, по крайней мере, смодулированы, – не все способны придать частице
столь значительную энергию. Кроме того, в основе гипотезы профессора
Уотсона лежат результаты очень небольшого количества наблюдений. Вернее,
наблюдений-то было много – к тому моменту, когда профессор опубликовал
свою работу, его группа успела зарегистрировать почти миллион широких
атмосферных ливней, – однако почти все они были следствием прохождения
космических частиц относительно низких энергий. Правда, сам профессор
Уотсон уверен в своей правоте:
Наши
выводы касательно происхождения частиц сверхвысоких энергий базируются
на наблюдении всего лишь 27-ми частиц. Кому-то это число может
показаться очень маленьким, но открытый нами эффект выражен настолько
ярко, что нам хватило и половины наблюдений, чтобы увидеть: источник
частиц – активные галактические ядра. А дальнейшие наблюдения только
подтвердили этот вывод.
Профессор
Уотсон имеет в виду вот что: когда он нанёс предполагаемые точки
зарождения зарегистрированных им частиц сверхвысоких энергий на карту
небесной сферы, то в 20-ти случаях из 27-ми эти точки оказались вблизи
мест расположения активных ядер галактик. Это и позволило учёному
высказать свою гипотезу. Однако не все его коллеги разделяют эту точку
зрения. К тому же вскоре после публикации работы Уотсона её основные
выводы были поставлены под сомнение другой публикацией. Специалисты
обсерватории, расположенной в США, в штате Юта, и известной под
сокращённым названием "HiRes" (полное название - "High Resolution Fly's
Eye", то есть "Мушиный глаз высокого разрешения), обработали таким же
образом данные собственных наблюдений, относящихся к северному
полушарию, и обнаружили приемлемые совпадения лишь в 2-х случаях из
13-ти. Конечно, это серьёзный удар по гипотезе профессора Уотсона, зато у
учёных появился стимул ещё активнее продолжать свои изыскания в этой
области. Об этом говорит и Маркус Рот:
Этот диапазон энергий представляет для нас большой интерес
потому, что он пока совершенно не понят. Да, у нас есть свои
представления, гипотезы, идеи, теории касательно того, откуда берутся
эти частицы, но в целом это до сих пор совершено неизведанная область,
terra incognita. Мы же хотим, наконец, понять, каков источник – или,
может быть, каковы источники – этих частиц и какие механизмы придают им
их огромную кинетическую энергию.
Технологический
институт в Карлсруэ – не единственное немецкое учреждение, специалисты
которого работают в Обсерватории имени Пьера Оже. В проекте участвуют и
Рейнско-Вестфальская высшая техническая школа в Ахене, и Институт
радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне, и университеты Зигена и
Вупперталя. Всего же над разгадкой тайны частиц сверхвысоких энергий в
аргентинских пампасах трудятся более 370 физиков, астрофизиков и
инженеров, представляющих 60 научных организаций 17-ти стран мира.
Не
столь масштабный, но тоже претендующий на звание рекордного проект
осуществляют сейчас американские физики. В Калифорнии, к югу от
Сан-Франциско, возводится самый мощный в мире рентгеновский лазер. Это
будет подземное сооружение весьма внушительных размеров. Джон Галайда
(John Galayda), руководитель проекта, демонстрирует своё хозяйство:
Мы
находимся в туннеле линейного ускорителя, разгоняющего электроны почти
до скорости света. Общая длина туннеля – 3 километра.
Объект принадлежит
Стэнфордскому университету. В 60-е годы в этом туннеле располагался
самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц, сегодня его
перестраивают в самый мощный в мире рентгеновский лазер. Этот проект
получил название "Linac Coherent Light Source", или сокращённо LCLS, что
в переводе с английского означает "Когерентный источник света на основе
линейного ускорителя". Принцип действия прост: в начале туннеля
специальная электронная пушка короткими импульсами выстреливает частицы в
ускоритель, там они разгоняются до скорости, близкой к световой, и
последние 130 метров в конце 3-километрового туннеля пролетают сквозь
специальные магниты. Джон Галайда поясняет:
Эти специальные магниты называются ондуляторами. Их задача
состоит в том, чтобы заставить летящие электроны колебаться, совершать
своего рода слалом. Когда субсветовые электроны начинают вилять, они
излучают мощные рентгеновские вспышки.
В
получении рентгеновского излучения с помощью быстрых электронов нет
ничего нового – этот метод используется десятилетиями. Однако до сих пор
это происходило в кольцевых ускорителях. Линейный ускоритель – это
премьера, – говорит Джон Галайда:
В случае LCLS электроны впервые вынуждены излучать синхронно.
Скажем, совокупность из 10 тысяч электронов ведёт себя как одна большая
частица. В результате и рентгеновское излучение оказывается в 10 тысяч
раз мощнее.
Такая
конструкция именуется лазером на свободных электронах. Получаемые
рентгеновские вспышки не только гораздо мощнее, но и обладают свойствами
лазерного излучения.
Это будет первый в мире рентгеновский лазер. Он позволит нам
заглянуть в мир атомов и молекул, более детально изучить структуру
вещества, –
говорит Келли
Гаффни (Kelly Gaffney), физик Стэнфордского университета. Он уже
предвкушает те исследования, которые сам проведёт на новой установке:
Что
меня лично особенно интересует, так это попытаться понаблюдать за
химическими реакциями в режиме реального времени. Лазер будет испускать
чрезвычайно короткие рентгеновские импульсы, и это позволит нам
высветить и зарегистрировать каждое перемещение молекул – наподобие
того, как функционирует стробоскоп.
Келли Гаффни
надеется, что результаты таких исследований позволят создавать новые
катализаторы, наноматериалы и медикаменты. Планируется, что первые
пробные импульсы калифорнийский лазер испустит в конце 2009-го года, а
уже в 2010-м году объект вступит в строй. Кстати, сейчас в Германии, в
Гамбурге, сооружается аналогичная европейская установка – "X-Ray Free
Electron Laser", сокращённо XFEL. Она будет гораздо мощнее американской,
но строительство завершится не ранее 2014-го года – на 5 лет позже
заокеанского конкурента.
