«Ловец» темной материи: в российском университете создали прототип лучшего в мире гамма-телескопа

Прототип уникального гамма-телескопа, на который возлагаются надежды в связи с возможным «захватом» космической темной материи, создан в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ». Об этом «МК» рассказали на кафедре экспериментальной ядерной физики и космофизики.

Несмотря на то, что созданный телескоп является всего лишь прототипом будущего аппарата массой до двух тонн, который можно будет отправить в космос через несколько лет, он уже работает, причем лучше, чем американский космический гамма-телескоп Ферми, расположенный на околоземной орбите. Его главное преимущество состоит в том, что он особенно чувствителен к различению гамма-излучения от заряженных частиц (протонов, электронов и т. д.), прилетающих из космоса. По этому показателю российская разработка превосходит американский аналог.

В чем основное отличие электронов от протонов от гамма-излучения?

Электроны и протоны — это материальные частицы, обладающие массой и зарядом, а гамма-излучение — это электромагнитная волна (поток фотонов), не имеющая массы в состоянии покоя.

Космическое пространство пронизано потоками гамма-излучения. Это то же самое электромагнитное излучение, что и обычный свет, который мы видим, но с гораздо более высокой частотой, чем ультрафиолет и рентгеновские лучи. Это незаметное излучение, обладающее огромной энергией. 

В космосе основными источниками гамма-лучей являются остатки сверхновых, пульсары, нейтронные звезды и ядра галактик (включая наш Млечный Путь). Иногда космическое пространство пронизывают мощные гамма-всплески неизвестного происхождения.

Телескоп-сплиттер

Специалисты МИФИ изготовили телескоп, а точнее, прототип телескопа, способный высокочувствительно различать гамма-излучение и потоки заряженных частиц, генерируемые им или образующиеся из других источников, того же Солнца. Например, его зарубежный аналог, американский гамма-телескоп «Ферми», оказался весьма уязвимым к этой проблеме — он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым взаимодействует, — просто не может отличить его от других типов космических лучей.

«Гамма-излучение имеет настолько короткую длину волны (значительно меньше межатомных расстояний), что сфокусировать его в принципе невозможно», — объясняет Ирина Владимировна Архангельская, старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». "Поэтому гамма-телескопы определяют направление падающего гамма-кванта. Для этого его сначала преобразуют в электрон-позитронную пару, а затем в частицы".

Гамма-телескоп устроен следующим образом: гамма-квант попадает на специальный преобразователь-трекер, где в слоях вольфрама рождается электрон-позитронная пара. Эти заряженные частицы оставляют следы (треки), которые фиксируются системой. По результатам анализа этих треков специалисты затем восстанавливают направление полета первичного гамма-кванта.

Однако на пути к «чистому» сигналу возникает серьезная проблема: как отличить гамма-кванты (которые, как говорилось выше, обнаруживаются по появлению заряженных частиц) от первично заряженных частиц (электронов, протонов)? Для этого гамма-телескоп имеет специальную «защиту от совпадений», состоящую из пластиковых детекторов.

Гамма-квант, прилетевший из глубин космоса, не взаимодействует с пластиковым детектором, а взаимодействуют заряженные частицы космических лучей - протоны, электроны и другие. Таким образом, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гамма-телескопа, то она не является гамма-квантом.

Но это еще не все. Дело осложняется так называемым «эффектом обратного тока». Бывает, что некоторые вторичные частицы гамма-волны летят обратно и снова попадают на детекторы «защиты от совпадений». В результате создается ложное «впечатление», что это не гамма-излучение, а какие-то заряженные частицы. В появлении большого процента подобных «ложных впечатлений» виноват зарубежный гамма-телескоп.

Какое решение нашел МИФИ?

"Наше главное отличие от конкурентов в том, что мы сделали "защиту от совпадений" "временной", - подчеркивает Ирина Владимировна Архангельская. - Она имеет временное разрешение в несколько сотен пикосекунд (10⁻¹² секунд)".

Если срабатывание «защиты от совпадений» происходит с задержкой в ​​несколько наносекунд, то это означает, что это «паразитный» обратный ток, а значит, мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.

"Таким образом, наша система четко различает по времени сигнал от прямого прохождения частицы и от обратного тока", - добавил ученый.

Как гамма-астрономия помогает в поисках темной материи

По мнению учёных, эта отрасль науки позволяет косвенно обнаружить его присутствие через взаимодействие с другими частицами. Основная идея заключается в том, что гипотетические частицы темной материи могут производить гамма-лучи при своем распаде. Ученые использовали данные телескопа Ферми для поиска гамма-всплесков, потенциально связанных с темной материей в центре Млечного Пути и карликовых галактик. Хотя прямых убедительных сигналов обнаружено не было, данные помогли исключить некоторые кандидаты на частицы темной материи.

Однако на пути к обнаружению загадочной материи прибор будет решать и более прикладные, но не менее важные задачи, изучая характеристики различных астрофизических и космофизических объектов. Например, параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или измененные спектры солнечного гамма-излучения во время вспышек.