Ученые МИФИ разработали прототип уникального гамма-телескопа

В лаборатории Института космофизики НИЯУ МИФИ создали работающий прототип перспективного гамма-телескопа. В дальнейшем прибор планируют отправить в космос на борту космического аппарата. Разработка предназначена для решения задач современной астрофизики, включая изучение гамма-всплесков и поиск темной материи.

Главной особенностью нового прибора стала высокая способность отделять электромагнитное гамма-излучение от заряженных частиц, которые прилетают из космоса. Речь идет, в частности, о протонах и электронах. По этому параметру российская разработка, как отмечают в МИФИ, превосходит американский аналог.

Гамма-излучение относится к электромагнитному излучению, как и видимый свет, однако обладает значительно большей частотой и энергией. В космосе его источниками могут быть остатки сверхновых звезд, пульсары, нейтронные звезды, ядра галактик, включая Млечный Путь. Кроме того, в космическом пространстве происходят мощные гамма-всплески, происхождение которых до конца не установлено.

Изучением такого излучения занимается гамма-астрономия. Ее основными инструментами являются гамма-телескопы, однако напрямую фокусировать гамма-излучение они не могут. Старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ Ирина Архангельская пояснила, что длина волны гамма-излучения настолько мала, что сфокусировать его невозможно. Поэтому приборы определяют направление прилета гамма-кванта по косвенным признакам.

Работа телескопа построена на преобразовании гамма-кванта в электронно-позитронную пару. Частицы возникают в слоях вольфрама специального конвертера-трекера, после чего оставляют следы. Эти треки фиксирует времяпролетная система, запускающая сбор данных. Затем по полученной информации ученые восстанавливают направление движения исходного гамма-кванта.

Одной из главных трудностей остается отделение гамма-квантов от заряженных частиц, таких как электроны и протоны. Для этого в телескопе используется антисовпадательная защита из пластиковых детекторов. Гамма-квант, пришедший из космоса, с таким детектором не взаимодействует, а заряженные частицы взаимодействуют. Если сигнал одновременно появляется во времяпролетной системе и в антисовпадательной защите, частица не считается гамма-квантом.

Дополнительную сложность создает эффект обратного тока. После преобразования гамма-кванта электрон и позитрон регистрируются детекторами, а затем попадают в калориметры, которые измеряют энергию частиц по электромагнитным ливням. Часть вторичных частиц может двигаться обратно и снова попадать в антисовпадательную защиту. Из-за этого возникает ложный признак, будто был зафиксирован не гамма-квант, а заряженная частица.

По словам Ирины Архангельской, именно здесь российская разработка отличается от зарубежных решений. В МИФИ сделали антисовпадательную защиту чувствительной ко времени. Ее временное разрешение составляет несколько сотен пикосекунд. Если антисовпадательная система срабатывает с задержкой в несколько наносекунд относительно времяпролетной системы, это указывает на обратный ток, а не на прилет заряженной частицы.

Таким образом, система способна разделять во времени сигнал от прямого прохождения частицы и сигнал от обратного тока. Высокоэнергетический фотон напрямую не взаимодействует с антисовпадательной защитой, а образовавшиеся после его конверсии электрон и позитрон регистрируются во времяпролетной системе.

Недавно действующий прототип детектирующих систем гамма-телескопа, который разрабатывают в НИЯУ МИФИ, прошел калибровку на ускорительном комплексе «Пахра» в Троицке. Испытания подтвердили правильность выбранных технологических решений.

Главной научной целью телескопа называют регистрацию темной материи. До достижения этой задачи прибор также будет использоваться для изучения астрофизических и космофизических объектов. В частности, он сможет исследовать параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров, а также изменения спектров и временных профилей солнечного гамма-излучения во время вспышек.

Кроме того, гамма-телескоп планируют применять для изучения загадочных гамма-всплесков, природа которых пока остается не до конца понятной. Итоговая масса тяжелого прибора может достигать около двух тонн.

Помимо этого проекта, в НИЯУ МИФИ разрабатывают небольшие спутниковые детекторы для малых космических аппаратов «Наталия» и «Надежда». Работы ведутся в лаборатории перспективных детекторов элементарных частиц для космофизических исследований под руководством старшего научного сотрудника кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики Андрея Майорова.

Основателями проекта «ГАММА-400» были академик, нобелевский лауреат Виталий Гинзбург и профессор Лидия Курносова из ФИАН. С 2009 года научным руководителем проекта был профессор НИЯУ МИФИ Анатолий Гальпер, а главным инженером — профессор ФИАН Николай Топчиев. В феврале 2020 года президиум Российской академии наук присудил Гальперу золотую медаль имени Дмитрия Скобельцына за вклад в развитие космических методов исследований в астрофизике космических лучей и гамма-астрономии.

Рекомендуем также:

1. Май ударит по кошельку и чувствам: кого ждут серьёзные финансовые перемены и неожиданные события
2. Магазинные вафли больше не покупаю: банан, немного муки — и вкуснейший десерт готов за 5 минут
3. Помидоры внезапно начали желтеть и сохнуть? 7 скрытых причин, о которых молчат производители семян
4. Эта копеечная жидкость творит чудеса с растениями: как правильно применять перекись водорода для подкормки
5. Обычный яблочный пирог уже никто не хочет: этот десерт с малиной и кремовой текстурой сводит с ума