...или «О космических коленках»

Был открыт излом - "быстрого (на протяжении пол-порядка по энергии) изменения показателя дифференциального энергетического спектра первичного космического излучения при энергии около 3*10^15 эВ по данным о дифференциальном спектре ШАЛ по числу частиц и по данным о зависимости среднего числа мюонов от числа частиц в ШАЛ". Честно говоря, не смотря на то, что википедия говорит, что - "этот результат имеет фундаментальное значение для физики космических лучей и астрофизики" я ни черта не понял, что это за излом, но надеюсь, что эта подземная лаборатория принимала в этом участие ,и я прикоснулся не просто к ржавеющим железкам, а к чему-то, что дало миру нечто полезное, фундаментальное.

Удивляешься: неужели в Википедии про это не написано доходчиво? А речь идёт вот об этом спектре [1]. Здесь нарисовано, сколько частиц, разогнанных почти до скорости света, пролетает мимо нас за какое-то время. Если говорить простыми словами — за день в участок площадью шесть соток из космоса летит два с половиной миллиона частиц с той же энергией, что и в Большом адронном коллайдере; тринадцать тысяч частиц с проектной энергией FCC; а ещё две частицы, у каждой из которых столько же энергии, сколько у крупной капли дождя. Если бы так продолжалось и дальше, раз в год в эти же шесть соток должна была бы целиться частица с энергией в десять раз больше — как у небольшой градины — но они прилетают только раз в два с половиной года.

Именно про этот излом на графике и идёт речь в цитате. Частиц с энергией выше 3000 ТэВ с ростом энергии падает быстрее, чем ниже этой границы. Прижилось название «колено», даже в русскоязычной научной литературе [2] (а у нас любят завернуть название построже). Вот он, обозначен словом «Knee»:

До вашей дачи эти частицы не долетают: сталкиваясь с молекулами атмосферы, они тратят свою энергию на рождение большого количества вторичных частиц. Тем тоже достаётся много энергии, они рождают следующее поколение, и так до тех пор, пока всё не долетит до земли. В результате одна частица рождает то, что называется широким атмосферным ливнем (ШАЛ). Если энергия частицы достаточно велика — ливень может накрыть город, возле которого стоят наши шесть соток, целиком.

Расчёт ливня показан на картинке в заголовке, схема — ниже. Картинки взяты из [3, 4]

Частицы разгоняются до таких энергий, в основном, на ударных волнах, возникших от взрыва сверхновой. Один переход через границу ударной волны, движущейся со скоростью 1% от скорости света, даёт частице лишний процент энергии [5]. Больше переходов — больше энергия частицы. Покинув остатки сверхновой, частица продолжит ускоряться и на других волнах, которых в межзвёздном пространстве в достатке.

Но откуда, всё-таки, колено? Что интересно, однозначного ответа нет; поиск подсказывает несколько возможных механизмов. Отделить правильные догадки от неправильных помог бы тестовый подрыв парочки сверхновых в области, доступной для установки измерительного оборудования, но отдел техники безопасности и охраны труда почему-то не разрешает подобные эксперименты.

Во-первых, частица не может ускоряться одной сверхновой бесконечно долго — когда-нибудь она потеряется. При разумных предположениях выходит, что внутри одной нормальной сверхновой самые быстрые частицы набирают, как раз, где-то 3000 ТэВ.

Во-вторых, частица, вылетевшая из сверхновой и летающая где-то по нашей галактике, может ускоряться в межзвёздных полях только до тех пор, пока она из галактики не вылетела. При энергиях меньше 3000 ТэВ галактические магнитные поля не дают частице улететь, а при больших — уже не могут. Частица такой энергии крутится по спирали, которая толще галактики. То есть, частицы больших энергий — межгалактические.

А, в-третьих, поверх этого неясно: нет ли поблизости лампочки, которая светит на этих 3000 ТэВах [6]?

...и это ещё не все модели.

Есть и ещё один интересный момент на графике спектра. Частицы с энергиями выше 5×10^19 эВ (3 Дж, как пуля из ижевской воздушки, только в одном протоне) исчезают.

Давным-давно, через 380 тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная остыла до 3000 градусов, электроны приклеились к протонам, и космос, наконец, стал прозрачным. Свет со спектром чёрного тела, нагретого до 3000 градусов (см. лампочку накаливания), перестал постоянно поглощаться и заново излучаться, отклеился от вещества и полетел, куда придётся.

С тех пор вселенная растянулась в 1000 раз, энергия фотонов уменьшилась во столько же раз, и сейчас вы (при наличии нужного детектора, охлаждённого жидким гелием) можете наблюдать его в виде реликтового излучения: вокруг нас натянута сфера радиусом в 15 миллиардов световых лет, которая светится с температурой 2.7 градуса Кельвина.

И вот эти два одиночества — фотон, излучённый в первый момент, когда вселенная стала прозрачной; и протон, выпущенный сверхновой в другой галактике — при столкновении рождают пи-мезоны, тратя на них часть энергии протона. А значит, из-за пределов суперкластера Девы частиц с большей энергией прилететь не может. Эта безумная в своей эпичности история называется пределом Грайзена–Зацепина–Кузьмина, и на ней мои поверхностные знания по астрофизике заканчиваются.

А что до лаборатории возле МГУ — для наблюдения широких атмосферных ливней были построены куда более масштабные и продвинутые приборы. В России их, кажется, два: возле Байкала (https://taiga-experiment.info/) и в Якутии (https://ikfia.ysn.ru/unu-yakushal-html/). Там помех меньше и места больше.

[2] http://www.mathnet.ru/links/0372f3bdd56d5dadeb593ec10c989cd3...

[3] https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431771/K...

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Air_shower_(physics)#/media/Fi...

[5] http://www.cosmic-ray.org/reading/uhecr.html#SEC2

[6] https://www2.ulb.ac.be/sciences/physth/Talks/Semikoz14.pdf

[7] https://ru.wikipedia.org/wiki/Местное_сверхскопление_галактик

В 1912 году, австро-американский физик Виктор Франц Гесс поднялся вместе с оборудованием для измерения ионизации воздуха (электроскопом) на высоту в 5000 метров и зафиксировал повышение уровня ионизации в несколько раз. В чем же интерес данного события? До этого момента считалось, что ионизация воздуха происходит за счет гамма лучей, рождающихся на поверхности планеты, и ,соответственно, чем выше подъем, тем ниже должен быть ее уровень. Опыт Виктора Гесса показал, что существует другой источник излучения, который запускает процесс ионизации воздуха. Таким образом произошло открытие неизвестного раннее вида проникающих лучей.

Работа Гесса привлекла внимание американского физика, лауреата нобелевской премии - Роберта Эндрюса Милликена, который, в 20-х годах прошлого века, продолжил опыты с неизвестным излучением. Именно благодаря американскому ученному и его работам, открытое Гессом излучение стали называть космическими лучами, а так же выяснилось, что лучи состоят из разнообразных частиц. Важным делом стала и популяризация Робертом Милликеном нового открытия в физике, что сказалось на получении Виктором Гессом и Карлом Андерсоном нобелевской премии в области физики в 1936 году.

В СССР в этой сфере работал  Дмитрий Владимирович Скобельцын, внесший свой вклад в изучение космических лучей. В 1927 году он открыл и смог провести наблюдение ливней космических лучей. Годом спустя на конференции в Лондоне Дмитрий Скобельцын дал современное определение космических лучей как высокоэнергичных частиц космического происхождения. Так же его работы легли в основу физики высоких энергий и оказали значимую роль в открытии позитрона, мюона и странных частиц.

Слева - Роберт Эндрюс Милликен (1868-1953) , справа - Скобельцын Дмитрий Владимирович (1892-1990)

Советского физика-ядерщика Скобельцына я упомянул не только за его вклад в развитие физики высоких энергий, но еще из-за того, что он имеет прямое отношение к подземной лаборатории о которой и пойдет речь.

В 1949 году правительство СССР принимает решение о строительстве новых зданий на территории МГУ и ,благодаря непосредственному влиянию Дмитрия Скобельцына, вносится дополнительное постановление о строительстве корпуса с комплексом ускорителей и корпуса лаборатории изучения космических излучений. Как не сложно догадаться под одним из этих зданий и была построена, предположительно метростроевцами, в середине 50-х годов подземная лаборатория ставшая частью изучения широких атмосферных ливней - ШАЛ МГУ.

Фотография корпуса Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ из фотографической коллекции Денверского университета. Снимок сделан советским новостным фотографом Семеном Фридляндом не позднее начала 60-х.

Создание новой установки ШАЛ МГУ было поручено Георгию Борисовичу Христиансену. Получившаяся к концу 50-х годов установка стала уникальной в своем роде, на то время, и могла фиксировать одновременно данные электронно-фотонных , мюонных и адронных компонентов космических лучей, то есть все вторичные частицы после столкновения с гостем из космоса.

Ее так же высоко оценили не только советские специалисты, но и выдающиеся зарубежные ученные, лауреаты нобелевских премий в области физики, такие как - Хидэки Юкава, Гейзенберг, Нильс Бор и другие, которые были приглашены в советский союз для демонстрации института и укрепления сотрудничества в научных областях.

Поэтому не удивительно, что рано или поздно на установке ШАЛ МГУ произойдет какое-нибудь важное открытие, что в итоге и свершилось в 60-х годах. Был открыт излом - "быстрого (на протяжении пол-порядка по энергии) изменения показателя дифференциального энергетического спектра первичного космического излучения при энергии около 3*10^15 эВ по данным о дифференциальном спектре ШАЛ по числу частиц и по данным о зависимости среднего числа мюонов от числа частиц в ШАЛ". Честно говоря, не смотря на то, что википедия говорит, что - "этот результат имеет фундаментальное значение для физики космических лучей и астрофизики" я ни черта не понял, что это за излом, но надеюсь, что эта подземная лаборатория принимала в этом участие ,и я прикоснулся не просто к ржавеющим железкам, а к чему-то, что дало миру нечто полезное, фундаментальное.

Сейчас подземная часть установки ШАЛ МГУ пребывает в запустении, все, что можно было сломать уже сломано, но по останкам конструкций можно предположить, что за оборудование здесь стоит и для чего.

Итак судя по всему в помещении стоит ионизационный калориметр Григорова.

Этот далеко не маленький прибор был изобретен в 1954 году советскими учеными для определения энергии частиц космических лучей. Изобретение оказалось очень полезным и нашло широкое применение по всему миру, вплоть до современных ускорителей.

Принцип работы калориметра в том, что "космические частицы высоких энергий при взаимодействии с веществом в результате ядерных реакций рождают большое число вторичных частиц или фотонов, которые в свою очередь образуют новые частицы и т.д. В конечном итоге образуется лавина заряженных частиц, которая движется в веществе, ионизует его атомы и при этом теряет свою энергию. Если толщина слоя поглощающего вещества достаточно велика и лавина заряженных частиц полностью остаётся в нём, то количество созданных в веществе ионов пропорционально энергии первичной космической частицы. Для измерения полного числа ионов поглотитель из плотного вещества (обычно — железо или свинец) разбивается на ряд слоев толщиной в несколько см, между которыми размещаются ионизационные камеры. "

Картинка слева - Схематическое изображение ионизационного калориметра в сочетании с ядерными фотоэмульсиями: 1 — мишень, в которой происходит взаимодействие космической частицы с атомными ядрами атомов мишени, приводящее к появлению g-квантов высоких энергий; 2 — слои свинца, в которых g-излучение порождает мощные лавины заряженных частиц; 3 — ядерные фотоэмульсии, регистрирующие эти лавины; 4 — слои вещества (железо или свинец), тормозящего лавины заряженных частиц; 5 — импульсные ионизационные камеры. Картинка справа - наглядный пример работы ионизационного калориметра. Синим выделены слои плотного вещества, в нашем случаи это свинец

В этой лаборатории в калориметре никаких датчиков уже не осталось, есть только полочки с твердым веществом - свинцом.

Свинца в этой лаборатории вообще с избытком, большинство напольных покрытий представляли из себя рамы с бесчисленным количеством брусочков из свинца.

Интересно было бы узнать, какого года этот аппарат, если предположить, что он с начала постройки лаборатории, то тогда перед нами один из первых ионизационных калориметров в истории. Так как первым действующим прибором такого типа считается установленный в 1957 году калориметр на высокогорной Памирской станции ФИАН. На которой как раз студентом и аспирантом работал руководитель по созданию этой лаборатории Г.Б. Христиансен.

Но вполне возможно, что за годы на глубине в сорок метров уже ничего и не осталось от первоначального вида, кроме деревянных дверей, ведь в 70 - 80-х годах была проведена модернизация установки ШАЛ МГУ, в том числе, судя по всему и в подземной части.

Некоторые двери ведут за приделы научного блока и можно лицезреть тюбинговый свод, который намекает на участие метростроевцев в сооружении лаборатории.

Такого плана строительство характерно для немалого количества углубленных секретных объектов построенных в годы СССР.

При желании можно спуститься еще чуть ниже под лабораторию, но тут кроме труб, ржавчины и дренажного оборудования ничего нет. Насосы в рабочем состоянии иначе подземная лаборатория уже стала бы подводной.

Каких либо документов, расписаний или чего-либо указывающего на время, когда лаборатория прекратила свою деятельность найти внутри не удалось, поэтому на помощь пришел интернет, где последнее упоминание датируется серединой 80-х и началом 90-го года. Тогда проводился длительный эксперимент длиною в 1372 дня. При этом упоминания об ионизационном калориметре не было, но зато в лаборатории стоял мюонный детектор состоящий из 1104 больших счетчиков Гейгера в 37 коробках.

С появлением различных ускорителей элементарных частиц, космические лучи перестали быть единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Возможно поэтому надобность в таких подземных лабораториях уменьшилась и все научные достижения таких объектов уже в прошлом.