Ученые НИИ прикладной физики ИГУ установят водные черенковские детекторы для более точного изучения свойств космических частиц

На площадке гамма-обсерватории TAIGA – одной из крупнейших в мире установок для исследования частиц космического излучения, расположенной на территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования Иркутского государственного университета, установят водные черенковские детекторы. Они будут регистрировать вторичные частицы широких атмосферных ливней (ШАЛ), возникающие при взаимодействии космических лучей и гамма-квантов с атмосферой Земли. Такие измерения помогут точнее определять свойства первичных частиц.

При прохождении быстрых заряженных частиц ШАЛ через воду возникает слабая вспышка черенковского света, которую регистрируют чувствительные оптические датчики. Чтобы свет доходил до датчиков с минимальными потерями, вода в детекторах должна быть очень чистой и прозрачной.

О структуре системы по очистке воды от разных примесей и о том, как это происходит рассказали: Владимир Полещук, научный сотрудник НИИ ПФ, Данил Попов, лаборант-исследователь НИИ ПФ и Роман Монхоев, научный сотрудник НИИ ПФ.

Рядом с шестым корпусом ИГУ, в 2025 году ввели в эксплуатацию систему подготовки ультрачистой воды на базе установки обратного осмоса AWT RO-500L производительностью 0,5 м³/ч. Пока для очистки используется вода из городского водопровода. В дальнейшем рассматриваются и другие источники водоснабжения, в том числе скважины и реки.

Основой действующей системы очистки служит обратный осмос. Его принцип можно объяснить так: насос под давлением подает воду на специальную мембрану, которая пропускает молекулы воды, но задерживает большую часть растворенных солей и других примесей. Очищенную воду собирают, а поток с повышенным содержанием примесей отводят отдельно. Установка, введенная в эксплуатацию в ИГУ в 2025 году, позволяет получать около 500 литров очищенной воды в час.

Роман Монхоев:

В наших детекторах заряженные частицы, проходя через воду, создают черенковское излучение. Поэтому качество воды напрямую влияет на регистрацию сигнала. Прежде всего, вода должна быть прозрачной: чем меньше черенковских фотонов поглощается или рассеивается на пути к фотодетекторам, тем надежнее мы регистрируем событие. Кроме того, мы разрабатываем детекторы со сроком службы более десяти лет. За это время вода должна сохранять свои оптические свойства, поэтому важно предотвращать рост микроорганизмов и образование отложений на внутренних поверхностях детектора.

Владимир Полищук, руководитель проекта называет систему очистки воды «сердцем лаборатории»:

Очищенную воду планируем доставлять в обсерваторию из Иркутска на грузовом автомобиле. Для перевозки в этом году закупили две специальные пластиковые емкости объемом по 5 м³ каждая. Сейчас система работает круглосуточно, чтобы собрать необходимое количество воды, чтобы успеть заполнить бассейн и установить детектор до наступления заморозков.

На данный момент один прототип водного черенкового детектора успешно проработал год. Сейчас строится три полноразмерных детектора с объемом воды около 50 м³ каждый. Ученые рассчитывают, что один из них начнет собирать данные уже в этом году.

Как отмечают иркутские ученые, детектор регистрирует частицы ШАЛ. Но конечная цель – узнать больше о первичной частице, прилетевшей из космоса и породившей этот ливень: оценить ее энергию, направление прихода и тип. Первичную частицу физики обычно не наблюдают напрямую — восстанавливают ее свойства по тому, какой ливень она вызвала.

Роман Монхоев:

Водный черенковский детектор поможет точнее определять, какая частица вызвала атмосферный ливень: гамма-квант, протон или более тяжелое ядро. Для этого мы регистрируем и затем изучаем полученные сигналы.

Принцип работы водного детектора

Когда заряженная частица проходит через воду с достаточно высокой скоростью, она создает черенковское свечение. Фотодетекторы регистрируют этот свет, а по полученным сигналам астрофизики оценивают число частиц, прошедших через детектор.

Детектор размещается под слоем грунта: грунт задерживает большую часть электронов и фотонов атмосферного ливня, тогда как мюоны способны пройти через него и достичь воды. Число мюонов помогает нам определить тип первичной частицы, вызвавшей ливень. Например, ливни от гамма-квантов обычно содержат меньше мюонов, чем ливни от протонов и ядер.

Водный детектор можно представить, как большой бак с очень чистой водой и чувствительными датчиками света. Когда через воду пролетает заряженная частица, возникает короткая вспышка – черенковское излучение. Датчики фиксируют ее и передают сигнал для анализа. Детекторы будут находиться под слоем грунта, который задерживает многие частицы атмосферного ливня, но пропускает мюоны.

Зачем физики измеряют мюоны?

Их количество помогает отличать ливни, вызванные гамма-квантами, от ливней, вызванных протонами и ядрами. Сопоставляя данные водных детекторов с показаниями других приборов установки, мы сможем точнее определять характеристики ливней и искать гамма-кванты, приходящие из определенных областей неба.

Одна из главных целей – найти источники, способные ускорять космические лучи до энергий порядка 1 ПэВ и выше. Такие объекты называют ПэВатронами. Если мы обнаружим связанное с ними гамма-излучение очень высоких энергий, это даст важные сведения о процессах в источнике. Если ожидаемого сигнала не будет, результаты помогут проверить и ограничить существующие модели. Вопрос о происхождении космических лучей исследуют уже более ста лет, и он до сих пор не решен окончательно.

В детекторах вода – часть научного прибора. Когда через нее пролетают быстрые заряженные частицы, возникает очень слабая вспышка света, которую регистрируют чувствительные фотодетекторы. Чем прозрачнее вода, тем меньше света теряется и тем надежнее измерения. Поэтому важно не только очистить воду, но и сохранить ее оптические свойства на протяжении многих лет.

Уже сейчас сотрудники лаборатории получают воду с удельной электропроводностью около 0,3 микросименса на сантиметр. Это один из показателей качества очистки: чем меньше в воде растворенных солей, тем хуже она проводит электрический ток. В 2027 году иркутские ученые планируют усовершенствовать систему и приблизиться к теоретическому пределу для чистой воды – примерно 0,055 микросименса на сантиметр при температуре 25 °C.

Получить такую воду технически сложно, а сохранить ее чистоту — отдельная инженерная задача. Даже при обычном контакте с воздухом вода поглощает углекислый газ, что повышает ее электропроводность. Из воздуха также могут попадать пыль и микроорганизмы, а материалы емкостей и трубопроводов способны выделять примеси. Поэтому глубоко очищенная вода может быстро утрачивать достигнутые показатели чистоты. Защищать ее от повторного загрязнения необходимо на всех этапах: при хранении, перевозке и заполнении детекторов.

Данил Попов:

Мы получаем чистую воду благодаря нескольким этапам очистки. Технология позволяет получить настолько чистую воду, что она загрязняется только при контакте с воздухом.

При этом электропроводность не дает полной картины того, насколько хорошо вода пропускает свет. Поэтому в ИГУ разрабатывают систему автоматического измерения длины поглощения света на длине волны 380 нанометров — в ближней ультрафиолетовой области спектра. Простыми словами, этот показатель характеризует, как далеко свет может пройти в воде, прежде чем существенно ослабнет из-за поглощения. Чем больше эта длина, тем меньше света теряется на пути к фотодетектору. Система будет автоматически контролировать этот показатель, позволяя оценивать результат очистки и своевременно замечать ухудшение оптических свойств воды.

Роман Монхоев:

Таким образом, наша работа охватывает весь процесс: очистку воды, ее доставку, заполнение резервуаров и сохранение прозрачности при длительной эксплуатации. Для этого мы сейчас отрабатываем чистоту оборудования, подбираем подходящие материалы и обеспечиваем герметичность детекторов. Наша цель – добиться их стабильной работы на протяжении многих лет с минимальным обслуживанием.

По словам Романа Монхоева и Владимира Полещука, значимость этого направления исследований подчеркивает Нобелевская премия по физике 2026 года, присужденная Фрэнсису Хальцену за вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие астрофизических нейтрино высоких энергий. Такие достижения показывают, как развитие детекторных технологий открывает новые возможности для астрофизики и изучения Вселенной. Иркутские физики надеются, что их работа также внесет существенный вклад в понимание происхождения космического излучения, а полученные результаты получат международное признание и укрепят позиции российской науки.

Напомним, что задача гамма-обсерватории TAIGA — регистрация частиц сверхвысоких энергий, приходящих из Вселенной. Полученные результаты позволяют решить ряд фундаментальных задач астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии, а также могут стать началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели. Кроме того, данные гамма-обсерватории дают возможность отработки новых технологий и решения задач наносекундной электроники, многопроцессорных систем сбора данных и т. д. Результаты работ ученых астрофизиков публикуются в высокорейтинговых международных научных изданиях.

Фото: ИГУ

Источник: Минобрнауки России