«Ловец» темной материи: в российском вузе создали прототип лучшего в мире гамма-телескопа
Прототип уникального гамма-телескопа, на который возлагают надежду в связи с возможной «поимкой» космической темной материи, создали в НИЯУ МИФИ. О нем рассказали «МК» на кафедре экспериментальной ядерной физики и космофизики.
Несмотря на то, что созданный телескоп всего лишь прототип будущего аппарата весом до двух тонн, который может быть отправленным в космос через несколько лет, он уже работает, причем лучше, чем находящийся на орбите Земли американский космический гамма-телескоп Fermi. Главное его достоинство в том, что он с особой чувствительностью способен различать гамма-излучение от прилетающих из космоса заряженных частиц (протонов, электронов и т.д.) По этому показателю российская разработка превосходит американский аналог.
В чем главное отличие электронов и протонов от гамма-излучения
Электроны и протоны — это материальные частицы с массой и зарядом, в то время как гамма-излучение — это электромагнитная волна (поток фотонов), не имеющая массы в состоянии покоя.
Космическое пространство пронизано потоками-гамма-излучения. Это такое же электромагнитное излучение как и обычный, видимый нами свет, но с гораздо большей частотой, чем у ультрафиолета и рентгена. Это неощущаемое излучение, обладающее при этом огромной энергией.
В космосе главными источниками гамма-лучей являются остатки сверхновых звёзд, пульсары, нейтронные звёзды, ядра галактик (включая и наш Млечный путь). Иногда космическое пространство пронизывают мощнейшие гамма-всплески неизвестного происхождения.
Телескоп-разделитель
Специалисты МИФИ сделали телескоп, точнее, прототип телескопа, обладающий способностью с высокой чувствительностью отличать гамма излучение и потоки заряженных частиц, им же образованные или образованные от других источников, того же Солнца. К примеру, зарубежный аналог, американский гамма-телескоп Fermi оказался довольно уязвимыми перед этой проблемой, – он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым взаимодействуют, – просто не может отличить его от других видов космических лучей.
«Гамма-излучение имеет настолько короткую длину волны (существенно меньше межатомных расстояний), что его невозможно сфокусировать в принципе, — объясняет старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ Ирина Владимировна Архангельская. — Поэтому гамма-телескопы определяют направление падающего гамма-кванта. Для этого он сначала конвертируется в электронно-позитронную пару, а потом частицы».
Гамма-телескоп устроен следующим образом: гамма-квант попадает на специальный конвертер-трекер, где рождается в слоях вольфрама электрон-позитронная пара. Эти заряженные частицы оставляют следы (треки), которые и регистрируются системой. По результатам анализа этих треков специалисты восстанавливают потом направление полета первичного гамма-кванта.
Однако на пути к «чистому» сигналу стоит серьезная проблема: как отличить гамма-кванты (которые, как сказано выше, детектируются по появившимся заряженным частицам) от первичных заряженных частиц (электронов, протонов)? Для этого, в гамма-телескопе предусмотрена особая «защита от совпадения», состоящая из пластиковых детекторов.
Прилетевший из глубин космоса гамма-квант не взаимодействует с пластиковым детектором, а заряженные частицы космических лучей – протоны, электроны и прочие – взаимодействуют. Таким образом, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гама-телескопа, то она не является гамма-квантом.
Но и это еще не все. Дело запутывает так называемый «эффект обратного тока». Бывает так, что часть вторичных частиц гамма-волны летит назад и опять попадает на детекторы «защиты от совпадений»... В результате создается ложное «впечатление», что это было не гамма-излучение, а какие-то заряженные частицы. Появлением большого процента таких «ложных впечатлений» и грешит зарубежный гамма-телескоп.
Какой же выход нашли в МИФИ?
«Наше главное отличие от конкурентов — мы сделали «защиту от совпадений» «времячувствительной», — подчеркивает Ирина Владимировна Архангельская. — Она имеет временное разрешение в несколько сотен пикосекунд (10⁻¹² секунды)».
Если срабатывание «защиты от совпадений» происходит с задержкой в несколько наносекунд, значит, это «паразитный» обратный ток, и значит мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.
«Таким образом, наша система четко различает во времени сигнал от прямого прохождения частицы и от обратного тока», — добавила ученый.
Как гамма-астрономия помогает в поиске темной материи
По словам ученых, этот раздел науки позволяет косвенно обнаруживать её присутствие через взаимодействие с другими частицами. Основная идея заключается в том, что гипотетические частицы тёмной материи при распаде могут порождать гамма-кванты. Учёные использовали данные телескопа Fermi для поиска всплесков гамма-излучения, потенциально связанных с тёмной материей, в центре Млечного Пути и карликовых галактиках. Хотя прямых убедительных сигналов не было найдено, эти данные помогли исключить некоторых кандидатов в частицы тёмной материи.
Однако на пути к обнаружению загадочной материи прибор будет решать и более прикладные, но не менее важные задачи, изучая характеристики различных астрофизических и космофизических объектов. Например, параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или измененные спектры солнечного гамма-излучения во время вспышек.