КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ТЯНЬ-ШАНЬСКОЙ ВЫСОКОГОРНОЙ НАУЧНОЙ СТАНЦИИ ФИАН

• НАЗНАЧЕНИЕ УСТАНОВКИ.
• ДЕТЕКТОРЫ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТ ШАЛ ТЯНЬ-ШАНЬСКОЙ УСТАНОВКИ.
• ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ТЯНЬ-ШАНЬСКОЙ УСТАНОВКЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ШАЛ
• ЖИЗНЬ НА СТАНЦИИ.
• СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ТЯНЬ-ШАНЬСКОЙ СТАНЦИИ.
• МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА ТШВНС ФИАН. 2006 г.

Комплексная установка для исследования широких атмосферных ливней входит в состав Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН. Она расположена на высоте 3300м в 25 км от города Алма-Аты. Эта установка была введена в строй вместе с инфраструктурой в конце 60-х годов и постоянно расширялась и модернизировалась.

Установка представляла уникальный по своей информативности комплекс мирового значения, предназначенный для получения экспериментальных данных по актуальным фундаментальным проблемам физики высоких энергий и астрофизики. Задачей являлось исследование природы первичных космических частиц - «космических лучей» и их взаимодействий в широком диапазоне энергий от 10¹² до 10¹⁸ эВ, а так же поиск возможных новых физических явлений. Изучение проводилось путем регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) - большого потока генетически связанных электронов, мюонов, адронов и других частиц. Широкие атмосферные ливни создаются в атмосфере первичными космическими частицами (в основном протонами, а также более тяжелыми ядрами) при их взаимодействии с ядрами атомов воздуха.
Одной из основных задач, стоящих перед физиками при изучении космических лучей на наземных установках - определение энергии первичной частицы, генерировавшей широкий атмосферный ливень. Поскольку электроны составляют основную долю частиц ШАЛ, то энергию первичной частицы можно оценить по числу электронов на уровне наблюдения. При энергиях первичных космических частиц около 10¹⁵ эВ на высоте 3 км их число в  среднем достигает нескольких сот тысяч и растет пропорционально первичной энергии. Электроны в ливне расходятся на расстояния до нескольких сот метров от оси-- направления первичной частицы (откуда и произошло название «широкие ливни»), причем их плотность убывает с увеличением расстояния от оси. Поэтому для регистрации электронной компоненты ливня на Тянь-Шаньской установке детекторы были расположены на различных расстояниях, вплоть до 200м от центра. Эти детекторы вместе с детекторами других компонент использовались для получения сведений об энергетическом спектре и ядерном составе первичных частиц.

О.И. Довженко и С. И. Никольский

Для получения сведений о характере ядерного взаимодействия космических частиц с веществом при энергиях, недоступных экспериментам на ускорителях, планировалось изучение центральной области ливня - «ствола»  в основном, с помощью ионизационного калориметра. Комплекс «ШАЛ» позволял одновременно в каждом ливне регистрировать практически все основные компоненты, генерируемые космическими частицами: электронно-фотонную, адронную, мюонную и черенковское излучение из атмосферы. В его создании, наладке, эксплуатации, а также обработке и анализе результатов эксперимента вместе с сотрудниками ФИАН принимали  участие ученые Болгарской, Венгерской и Чехословацкой Академий наук. В разные годы в работе участвовали студенты МГУ, Казахского университета, МИФИ, Московского Энергетического, Томского и Челябинского институтов. Созданием комплекса руководил С.И. Никольский

 На основании анализа результатов, полученных на Тянь-Шаньской установке, были сделаны сотни докладов на международных и советских, а затем российских конференциях, симпозиумах и научных «школах». Опубликовано более  500 научных работ, защищено  7 докторских и около 20 кандидатских диссертаций, прошли стажировку более 100 студентов.

Совещание. В.И. Яковлев (ФИАН), В. Михаляк  (Польша), Й.Н. Стаменов (Болгария), А. Томашевский  (Польша), В. Янминчев ( Болгария).

Тянь-Шаньская установка ШАЛ по своим возможностям не уступала компактным (с площадью разнесения детекторов до 0.25 км²) комплексным установкам, созданным уже в последующие десятилетия в разных странах: Германии (KASCADE), Италии, Китае, Индии и др.   

Эдельвейсы в горах Тянь-Шаня

В настоящее время в мире происходит переориентация на создание гигантских установок с разнесенными далеко друг от друга детекторами, предназначенных для изучения астрофизических вопросов при сверхвысоких энергиях (свыше1018эВ): энергетического спектра, ядерного состава и направлений прихода космических лучей (ШАЛ). Однако целый ряд вопросов при меньших энергиях ПКЛ остается нерешенным и их изучение не менее актуальным. Продвижение исследований на ускорителях в эту область энергий со временем поможет решить их и, возможно, обнаружить новые процессы в космических лучах.

Наиболее энергичные ядерно-активные частицы сосредоточены в центре ливня, в его «стволе» - области, которая представляет особый интерес в изучении характеристик ядерного взаимодействия при сверхвысоких энергиях. Для этого в центре установки был помещен большой ионизационный калориметр, представляющий собой «сэндвич» из 19 рядов ионизационных камер, прослоенных свинцовым поглотителем общей толщиной 850 г/см². Эта довольно объемная конструкция (6х6х3) м³ служила прибором для измерения ионизации, вызванной частицами на разной глубине калориметра и следовательно, для измерения потери энергии в нем. С его помощью также определялись координаты траектории прохождения частицы.

А.П.Чубенко за наладкой каналов калориметра

В первые годы между рядами были проложены слои рентгено - эмульсионных пленок. Один из слоев пленок периодически передвигался относительно другого. Этот новый метод «движущихся пленок» (Н.Л. Григоров)  использовался для более точного сопоставления событий в калориметре с ШАЛ и определения более точного места прохождения частиц. Рядом с калориметром было помещено электронное табло - «матрица» (немного напоминающее табло в аэропорте), состоявшее из множества неоновых лампочек. Информация с каждого детектора с помощью электроники переносилась на матрицу.

К.В Чердынцева и Р.А. Нам.

При выполнении заданных условий отбора событий, как только частица попадала в калориметр, матрица загоралась и можно было зрительно проследить траекторию частицы, а также величину вызванной ею ионизации.

Над созданием калориметра, проведением измерений и анализом экспериментальных результатов работали: В.И Яковлев, Р.А. Нам, А.П. Чубенко, В.И. Соколовский, В.П. Павлюченко, К.В Чердынцева, Н.П. Крутикова, Н.Г. Вильданов, Г.Я. Горячева, Г.В. Чернышова, А. Можаев и др.

На станции кроме «Комплексной установки для исследования широких атмосферных ливней» в 1963- 1971 гг. под руководством С.А.Славатинского эксплуатировалась другая «камерная установка», где с помощью камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле, детально изучалась природа частиц в стволах ШАЛ и с помощью калориметра определялась их энергия (см. на сайте).

В разные годы научной работой на станции руководили: С.И. Никольский, С.А. Славатинский, К.А. Котельников, В.И. Яковлев, С.Б. Шаулов, Р.А. Нам и в настоящее время В.В. Жуков.

У пульта управления установкой ШАЛ В.И. Яковлев. Около «матрицы» ионизационного калориметра В. Гузиев, на лестнице у калориметр Шимолин.

С 1985 года калориметр был заменен системой, состоящей из четырех рядов ионизационных и рентгено-эмульсионных камер, размещенных на площади в 5 раз большей площади калориметра. Система была включена в общий комплекс модернизированной установки ШАЛ. Это был новый комплекс ШАЛ «АДРОН». Рентгено-эмульсионные камеры, имеющие существенно лучшее пространственное разрешение, чем ионизационные камеры, регистрировали гамма-кванты и их семейства с энергией свыше нескольких ТэВ, возникающие в свинцовом поглотителе между рядами камер. Руководил работой и анализом С.Б. Шаулов. Значительный вклад в работу и анализ данных внесли А.П. Чубенко, В.В. Арабкин, Д.К. Дженсеитова, Р.А. Нам, К.В. Чердынцева и др.

С.Б. Шаулов, В.В. Жуков, Р.А. Нам.

Новым направлением в экспериментах, связанных с изучением адронной компоненты ШАЛ на Тянь-Шаньской станции стало применение нейтронных мониторов для исследования адронной компоненты ШАЛ. С этой целью в 1990-91 г.г. к комплексу был присоединен нейтронный монитор Казахского института Ионосферы, расположенный вблизи от центра «АДРОН». Его диапазон измерения длительности импульсов от нейтронов был существенно изменен: от микросекунд до нескольких миллисекунд вместо прежних минутных интервалов. Созданием, обработкой и анализом под руководством А.П. Чубенко занимались А.Л. Щепетов, Л.И. Вильданова, В.В. Пискаль).

Детекторы электронно-фотонной компоненты

а) Система сцинтилляционных и газоразрядных детекторов
Для измерения плотности потока электронно-фотонной компоненты ливней была создана многоканальная система сцинтилляционных и газоразрядных счетчиков, расположенных как в центре, так и на разных расстояниях от него, вплоть до 200 м.

В начале эксперимента: под потолком «ковер» из сцинтилляционных счетчиков,
внизу - секции калориметра.
Н.М. Нестерова, К.В. Чердынцева, Э. Манухова, Г.В. Чернышева, Г.Я.Горячева.

По показаниям сцинтилляционных детекторов для каждого ливня определялись полное число электронов на уровне наблюдения, координаты оси и другие характеристики ливня.
Величину сигнала от каждого сцинтилляционного детектора можно было наблюдать по загоранию неоновых лампочек на пульте регистрации.
В центре сцинтилляционные детекторы были подвешены к потолку над калориметром. Их контейнеры были раскрашены в разные цвета, что напоминало разноцветный ковер. В комплексе ШАЛ+ «АДРОН»  была существенно изменена и расширена система сцинтилляционных детекторов, а также увеличено их число. В.И. Соколовский был одним из первых создателей системы регистрации сигналов от сцинтилляционных детекторов. В разные годы над этой системой под руководством Н.М. Нестеровой работали: В.И. Соколовский, В.С. Асейкин, В.А. Ромахин, А.Г. Дубовый, П.А. Дятлов, В.П. Бобова, Н.С. Ромахина и др. Для регистрации электронно-фотонной компоненты были использованы так же газоразрядные счетчики. В начале они располагались только в центре (В.И. Соколовский и др.), а затем  и на разных расстояниях от него на периферии (руководитель Й.Н. Стаменов, В. Д. Янминчев и др.).

В. А. Ромахин	Н.М. Нестерова, П.А. Дятлов.
Н.М. Нестерова возле пульта управления сцинтилляционными детекторами.

б) Хронотрон
Частицы из космоса и, следовательно, вызванные ими ШАЛ, приходят под разными углами. Метод определения угловых характеристик ШАЛ основывался на измерении разности времен попадания плоскости «фронта» электронов в детекторы, расположенные на разных расстояниях, так как задержки сигналов зависят от зенитного и азимутального углов наклона ШАЛ. Эти углы определялись с помощью системы «Хронотрон - 1», над которым работали Е.П. Юдин, Б.Б. Ордабаев, Д. Бенко, А.И. Решетников.

С 1978 г. в комплексную установку был включен новый «Хронотрон», разработанный и налаженный сотрудниками Центрального института физических исследований Венгерской Академии Наук (KFKI) (отделение ядерной  физики и элементарных частиц. Руководитель А. Шомоди).

С этого времени на Тянь-Шаньской станции ФИАН совместно с KFKI проводилась отдельная  работа по исследованию анизотропии прихода первичных космических лучей в диапазоне энергий ПКИ E₀ =5 10¹³-5 10¹⁴ эВ (ответственные: А. Варга, Н.М. Нестерова).   

Для этого в KFKI была специально разработана и установлена на станции система регистрации и записи данных «КЛАРА+ ХРОНОТРОН».

В.А. Мариненко, Н.М. Нестерова, А.Г. Дубовый.

В дальнейшем результате проведенного анализа получены карты направлений на небесной сфере в экваториальных координатах, откуда возможен приход ПКИ.

 Участие в наладке аппаратуры, проведении измерений и обработке результатов принимали сотрудники КФКИ: А. Варга, Д. Бенко, Г. Эрдеш и др. Измерения проводили также сотрудники ФИАН: С.Ф. Абдрашитов, К.В. Баркалов, В.А. Мариненко. Анализ работы системы проводил сотрудник Болгарской АН П.В. Ставрев.

Д. Бенко (Венгрия ) и В.А.Мариненко

Детекторы мюонной компоненты.

Для получения наиболее полной картины взаимодействия ПКЛ в атмосфере необходимо исследовать проникающую мюонную компоненту ШАЛ. Чтобы выделить мюоны, как наиболее слабо поглощающуюся компоненту, их эффективнее регистрировать под слоем вещества, в котором остальные компоненты поглощаются. Для этой цели на глубине 10 м был прорыт тоннель диной 60 м и точно под центром наземного ионизационного калориметра (и центром установки) построено отдельное рабочее помещение. Под потолком тоннеля и подземелья установили газоразрядные счетчики. Они регистрировали поток мюонов с энергией свыше 5 ГэВ. За эту часть установки была ответственна группа сотрудников Болгарской АН под руководством Й.Н. Стаменова: Н.Х. Георгиев, И.Н. Киров, П.В. Ставрев, Т. Станев, С.З. Ушев, В.Д. Янминчев, сотрудник станции Ю. Болдырев и др.

Й.Н. Стаменов, Ю. Болдырев

И.Н. Киров.

В. Янминчев (Болгария).

Кроме того, непосредственно под центром большого ионизационного калориметра в первые годы работал ионизационный калориметр площадью 9 м², в котором мюоны с энергией более 10¹¹ эВ создавали электромагнитные каскады, что позволяло оценить их энергию. Руководил созданием мюонного калориметра и анализом полученных данных А.Д. Ерлыкин. Ему активно помогал А.К. Куличенко. В эксплуатации этой установки и поучении данных также принимали участие С.К. Мачавариани, С.С. Мазниченко, Э.А. Мешков др.

С.К. Мачавариани, В.И. Яковлев.

В.А. Ромахин и А.Д. Ерлыкин.

Позднее, в 70-ые годы в центральном подземном помещении была собрана установка из большого числа широкозазорных (трековых) искровых камер для изучения пространственно-угловой структуры мюонных пар и отдельных групп мюонов. Точность определения направления ШАЛ (около 3 миллирадиан) позволила обнаружить мюонные пары, рожденные адронами со средней энергией примерно 10 ТэВ, что превышало энергию адронов, исследованных на ускорителях того времени.

Руководил этой установкой Ю.Н. Вавилов.
В создании, проведении измерений и анализе участвовали Р.У. Бейсембаев, С.П. Бесшапов, Е.В. Базаров, Л.И. Вильданова, В.Любченко.

Ю.Н. Вавилов

Возле калориметра С.П. Бесшапов.

Детекторы излучения Вавилова-Черенкова из атмосферы.

Одна из самых удивительных характеристик широкого атмосферного ливня - это излучение Вавилова-Черенкова в атмосфере («черенковские вспышки»). Оно возникает при прохождении заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в воздухе. Несмотря на  малую интенсивность черенковского  света от одной частицы из-за малой плотности атмосферы, зарегистрировать кратковременную вспышку от ливня возможно на фоне свечения ночного неба в безоблачные и безлунные ночи, благодаря колоссальному потоку частиц ШАЛ.

Первоначально (с 1980 г.) Тянь-Шаньская система, регистрирующая величину черенковской вспышки, состояла из семи (к 1985 г. десяти) пунктов с различным числом (от 1-го до 36) фотоэлектронных умножителей ФЭУ-49, расположенных как в центре, так и на разных расстояниях от него - до 130 м. Наблюдение черенковских вспышек позволяло оценить энергию, растраченную первичными космическими частицами в атмосфере, и по осциллограмме проследить развитие ливня до уровня Тянь-Шаня. Этими исследованиями  под руководством В.И. Яковлева занимались Б.Н. Афанасьев, В.В. Жуков, Ю.М. Василюк, А.Ю.Смирнов и С.Ф. Абдрашитов.

 Начиная с 1991 года установка была трансформирована в установку «ВЭГА»: на фотокатоды ФЭУ-49 были помещены сцинтилляторы толщиной 5 см и диаметром 15 см, число детекторов увеличено до 15. После приобретения цифровых осциллографов TDS-2014 стало возможным по осциллограммам проследить развитие ливня в атмосфере до уровня Тянь-Шаня. Это позволило зарегистрировать двойные ливни, разделенные промежутком времени ~ 100 нс и провести анализ природы этих событий.

В работе по созданию установки «ВЭГА» и последующем анализе данных под руководством В.И. Яковлева принимали участие С.Ю. Зуйков, К.В. Баркалов, В.В. Жуков, Н.Г. Вильданов, М.И. Вильданова, А.В. Степанов.

Электронная система записи, контроля и обработки информации.

Б.В. Субботин и Е.И. Тукиш

Космонавт В.В. Аксенов и В.П. Павлюченко обсуждают применение «обратной задачи»

А.В. Степанов

Электронные управляющие системы Тянь-Шаньского комплекса отбирали нужные физические события, затем информация от отдельного ливня, с каждого детектора записывалась на магнитную ленту. Для этого была разработана специальная система записи, позволяющая проводить последующий анализ экспериментальных данных на электронных вычислительных машинах. В первое время еще только начинала развиваться методика использования ЭВМ в подобных экспериментах. Это была оригинальная, по тем временам, разработка. Ее под руководством Е.И. Тукиша коллективно создавали: Б.В. Субботин, М.А. Соловьева, М.Е. Шамаро, В.В. Пискаль и др. Участвовали в разработке различных электронных схем В.И. Яковлев, В.И. Соколовский, А.П. Чубенко, А.Д. Ерлыкин.
Следующий важный этап наступал уже при обработке записанных данных. Создавались банки данных, содержащих показания всех детекторов установки, а также программы их обработки. Устанавливались критерии, по которым отбирались нужные физические события. Разработчиками  этой системы были Е.И. Тукиш, В.С. Асейкин, В.П. Павлюченко, Л.И. Вильданова, Н.М. Никольская, Н.В. Кабанова и др. Затем был создан основной банк, где были записаны физические параметры каждого ШАЛ, определенные по алгоритмам, разработанным В.П. Павлюченко.

На станции был хорошо оборудованный механический цех (А. Клюшев и др.)

Старший механик А.П. Клюшев.

М.Е. Шамаро у станка