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.
