Охота на темную материю: в МИФИ разрабатывается прототип детектирующих систем уникального гамма-телескопа

В лаборатории Института Космофизики НИЯУ МИФИ разрабатывается действующий прототип детектирующих систем перспективного гамма-телескопа. Прибор, который планируется отправить в космос на космическом аппарате, способен решать задачи, находящиеся на переднем крае современной астрофизики: от изучения гамма-всплесков до поиска неуловимой темной материи. Главное достоинство нового прибора заключается в том, что он с особой чувствительностью способен различать элетромагнитное гамма-излучение от прилетающих из космоса заряженных частиц (протонов, электронов и т.д.) По этому показателю российская разработка превосходит американский аналог.

Материал о разработке сотрудников МИФИ опубликован в газете «Московский комсомолец».

Ирина Архангельская

 «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 Ирина Архангельская. — Поэтому гамма-телескопы определяют направление падающего гамма-кванта. Для этого он сначала конвертируется в электронно-позитронную пару, а потом частицы».

Основателями проекта «ГАММА-400» были академик и нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург и проф. Л.В. Курносова (ФИАН). С 2009 г. научным руководителем ГАММА-400 являлся проф. А.М. Гальпер (НИЯУ МИФИ), главным инженером – проф. Н.П. Топчиев (ФИАН). 11 февраля 2020 года Президиум Российской академии наук присудил золотую медаль имени Д.В. Скобельцына 2019 года профессору Гальперу А.М. за выдающийся вклад в развитие космических методов исследований в области астрофизики космических лучей и гамма-астрономии.

Прибор устроен следующим образом: гамма-квант попадает на специальный конвертер-трекер К, где рождается электрон-позитронная пара в конверсионных слоях вольфрама. Заряженные частицы оставляют треки в конвертере-трекере Ки регистрируются времяпролетной системой ВПС, которая и запускает процесс съема данных. По результатам анализа этих треков восстанавливается направление первичного гамма-кванта. Энергия частиц измеряется в двух калориметрах: КК1 и КК2.

Однако на пути к «чистому» сигналу стоит серьезная проблема — как отличить гамма-кванты от заряженных частиц (электронов, протонов). Для этого, в гамма-телескопе предусмотрена особая «антисовпадательная защита» АС, состоящая из пластиковых детекторов. Прилетевший из глубин космоса- гамма-квант не взаимодействует с пластиковым детектором, а заряженные частицы космических лучей - протоны, электроны и т.д. - взаимодействуют. Таким образом, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гама-телескопа - и с ВПС, и с антисовпадательной защитой - то она не является гамма-квантом.

Но дело запутывает так называемый «эффект обратного тока». Суть его заключается в том, что после того, как образовавшаяся после конверсии гамма-кванта электронно-позитронная пара регистрируется пластиковыми детекторами времяпролетной системы, она попадает на третью подсистему – калориметры КК1 и КК2, которые измеряют энергию пришедших частиц посредством регистрации образовавшихся от них электромагнитных ливней. Однако, бывает так, что часть вторичных частиц ливня летит назад и попадают опять на детекторы антисовпадательной защиты; в результате создается ложное «впечатление», что это было не гамма-излучение, а какие-то заряженные частицы. Зарубежный аналог, американский гамма-телескоп «Ферми» оказался довольно уязвимыми перед этой проблемой, и в итоге он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым взаимодействуют - он просто не может отличить его от других видов космических лучей.

«Наше главное отличие от конкурентов — мы сделали антисовпадательную защиту времячувствительной, — подчеркивает Ирина Архангельская. — Она имеет временное разрешение в несколько сотен пикосекунд (10⁻¹² секунды)». Если срабатывание антисовпадательной системы происходит с задержкой в несколько наносекунд относительно ВПС (что соответствует времени прохождения частицы, движущейся почти со скоростью света, от верхнего детектора ВПС до калориметра и обратно)— значит, это «паразитный» обратный ток, и значит мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.

«Таким образом, наша антисовпадательная система четко различает во времени сигнал от прямого прохождения частицы и от обратного тока. Фотон высокой энергии напрямую не взаимодействует с антисовпадательной защитой, только образовавшиеся после конверсии электрон и позитрон регистрируются в ВПС. Наша система четко разделяет эти события во времени», — добавила ученый.

Недавно, разрабатываемый в НИЯУ МИФИ действующий прототип детектирующих систем гамма-телескопа, прошел калибровку на ускорительном комплексе «Пахра» в Троицке, что подтвердило оптимальность используемых технологических решений.

По словам, главная сверхзадача телескопа — зарегистрировать темную материю. Однако на пути к этому амбициозному результату прибор будет решать более прикладные, но не менее важные задачи. «Непосредственная задача — изучать характеристики различных астрофизических и космофизических объектов. Например, параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или как меняются спектры и временные профили солнечного гамма-излучения во время вспышек,», — пояснила научный сотрудник. Гамма-телескоп также будет использоваться для исследования загадочных гамма-всплесков, природа которых до сих пор до конца не ясна.

Помимо тяжелого гамма-телескопа (вес прибора будет в итоге будет достигать ~2 тонн), в НИЯУ МИФИ (Лаборатория перспективных детекторов элементарных частиц для космофизических исследований) разрабатываются небольшие спутниковые детекторы для малых космических аппаратов «Наталия» и «Надежда» под руководством старшего научного сотрудника кафедры Экспериментальной ядерной физики и космофизики доц. Майорова Андрея Георгиевича.

Физическая схема гамма-телескопа ГАММА-400. AC (антисовпадательная защита), S1и S2 (ВПС), S3, S4, LD (сцинтилляционные детекторы калориметра)–

пластиковые сцинтилляционные детекторы, C – конвертер-трекер -SciFi  детекторы на основе сцинтилляционных файберов, CC1 и CC2 – калориметры (сцинтилляционные детекторы на основе CsI(Tl)).