На научном семинаре в ФИАН был представлен доклад о проекте «СФЕРА-Антарктида», направленном на исследование космических лучей в области сверхвысоких энергий. Проект подготовлен специалистами НИИЯФ МГУ. Он был разработан на основе успешно реализованного эксперимента на озере Байкал, который проводился в рамках проекта «СФЕРА». В эксперименте использовался новейший аэростатный прибор «СФЕРА-2» (http://sphere.sinp.msu.ru/).

    Эксперимент был осуществлен силами групп из НИИЯФ МГУ и ФИАН при активной поддержке ИЯИ РАН. В ходе эксперимента были получены данные об энергетическом спектре и химическом составе космических лучей в области сверхвысоких энергий (10¹⁶-10¹⁸ эВ).

    В Антарктиде с помощью нового прибора планируется провести исследования (см. рисунок 1) для понимания природы источников космических лучей сверхвысоких энергий — элементарных частиц и ядер атомов, образовавшихся в галактических и внегалактических источниках.

Рисунок 1. Схема эксперимента

    Одной из основных задач эксперимента «СФЕРА» является изучение процессов, происходящих во Вселенной в области высоких и предельно высоких энергий (10¹⁸-10²⁰ эВ).

    Для выполнения исследований создается установка «СФЕРА-А» — единственный в РФ и уникальный с точки зрения применяемой методики измерений, инструмент для поиска и изучения источников первичных космических лучей (ПКЛ) в Южном полушарии небесной сферы Земли, которое недоступно для наблюдения с территории России.

    Частота прихода таких событий настолько мала, что единственным методом их изучения является регистрация вспышек света возникающих при попадании первичной частицы в атмосферу Земли. Измерения проводятся только в условиях ясной и безлунной ночи из-за малой яркости этих вспышек. Длительная полярная ночь, чистая атмосфера, устойчивые циркумполярные воздушные потоки и наличие развитой инфраструктуры полярных станций РФ в Антарктиде делают её наиболее подходящим местом для проведения эксперимента.

Рисунок 2. Оптическая система установки «СФЕРА-А»

    Установка «СФЕРА-А» способна регистрировать два типа свечения: флуоресцентный свет и отраженный от снежной поверхности черенковский свет. Флуоресцентный свет генерируется за счёт ионизации молекул атмосферы от каскада вторичных частиц. Каскад образуется в результате взаимодействия первичной частицы с частицами земной атмосферы.

    Черенковский свет возникает за счёт того, что частицы каскада движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в атмосфере. При этом флуоресцентный свет излучается изотропно и несет информацию о форме каскада вторичных частиц, что позволяет определить тип первичной частицы (протон, ядро железа и т.п). Черенковский свет излучается направленно вдоль оси развития каскада и дает возможность оценивать энергию и направление прихода первичной частицы. «СФЕРА-А» является, пожалуй, единственной установкой, которая может эффективно регистрировать оба типа светового излучения одним детектором.

    Детектирующим элементом установки является сверхчувствительная и сверхбыстрая видеокамера, которая способна регистрировать единицы фотонов с частотой до 10 млн. кадров в секунду. Матрица детектора состоит из ~3300 кремниевых фотоумножителей. Входное окно оптической системы 0,18 м², а полный угол обзора ±25° (~0,6 cр), см. рисунок 2.

    Установка поднимается на аэростате на высоту ~30 км (см. рисунок 1) и регистрирует вспышки от попадающих в атмосферу частиц (см. рисунок 3).

    Реализацию проекта планируется осуществить в 3 этапа:

1) Разработка и запуск прототипа (3-5 года);

2) Создание и запуск экспериментально образца установки «СФЕРА-А» (2-3 года);

3) Проведение регулярных стартов в Антарктиде (2-3 года).

    Стоимость разработки и создания действующего прототипа установки оценивается в ~15 млн. руб., запуск экспериментально образца установки «СФЕРА-А» в ~30 млн. руб., для проведения регулярных запусков 10 аппаратов потребуется ~150 млн. руб. Общая стоимость проекта составит менее 200 млн. руб. Для сравнения, при реализации подобного проекта «Pierre Auger Observatory» было потрачено около 50 млн. долларов  США для создания сети из 1600 наземных детекторов на площади ~3000 км².

    К осуществлению проекта планируется привлечь сотрудников нескольких организаций:

•    НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына, МГУ имени М.В.Ломоносова (НИИЯФ МГУ);

•    Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН);

•    Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ);

•    Charles University in Prague (Карлов университет, Чехия);

•    Государственный научный центр "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт" (ААНИИ);

•    Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)

•    Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН);

•    Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ);

•    Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ);

•    Региональная общественная организация специалистов в области твердотельных оптоэлектронных комплексов (РОО СО ТОПЭК);

•    РосАэроСистемы («Авгуръ»);

•    Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики (ДКБА).

Рисунок 3. Пример смоделированного события с энергией первичной частицы 4×10¹⁹ эВ.
Угол входа в атмосферу 54 градуса от вертикали

    Старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Дмитрий Чернов – участник проекта «СФЕРА-Антарктида» – так прокомментировал новую разработку:

    «Наш прибор имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими существующими и проектируемыми приборами: высокая точность определения энергии частиц первичных космических лучей, низкий энергетический порог, высокая точность определения глубины максимума развития каскада частиц в атмосфере Земли, сравнительно низкая стоимость проведения эксперимента по сравнению с существующими наземными и проектируемыми космическими установками, возможность проведения регулярных запусков в период полярной ночи».

    Заведующая Лаборатории теоретических и экспериментальных исследований взаимодействий и переноса излучений в различных средах отдела космических наук НИИЯФ МГУ Татьяна Роганова добавляет:

    «Развитие экспериментальной методики, использующей отраженный от снежной (водной) поверхности черенковский свет, является чрезвычайно перспективным. Воплощенная в жизнь в эксперименте СФЕРА-2 идея академика А.Е. Чудакова, опирающаяся на современную электронную и приборную базу, показала свою реализуемость и возможность дальнейшего развития. Проект СФЕРА-Антарктида заслуживает самой высокой оценки и поддержки. В настоящее время этот проект включает в себя в основном российские организации, в дальнейшем возможно расширение участия зарубежных партнеров. Следует отметить, что проведение такого рода исследований в Антарктиде позволит расширить круг исследований, проводимых на этом континенте с участием российских ученых. В то же время проведение такого эксперимента даст необходимый толчок развитию и использованию в России аэростатной техники».

    Главный научный сотрудник ФИАН, профессор Юрий Стожков прокомментировал:

    «Предлагаемый проект направлен на решение фундаментальной проблемы – поиску источников частиц сверхвысоких энергий вплоть до 10²¹ эВ. Предлагается оригинальный метод решения поставленной задачи, который заключается в организации полета высотного аэростата с научной аппаратурой на борту на высоте ~30 км вокруг Антарктиды по циркумполярному кольцу. Высокоэнергичные частицы образуют ливни в атмосфере, которые дают свечение атмосферы и отраженный световой сигнал от заснеженной поверхности. Регистрация световых вспышек позволит определить направление прихода высокоэнергичной частицы и ее энергию.

    Проект безусловно относится к числу амбициозных, и в случае успеха позволит российской науке существенно укрепить свои позиции в мире в области фундаментальных физических исследований.»

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»