Троицкий эксперимент: телескоп займется поиском темной материи
В России построят самый точный солнечный телескоп TASTE (Troitsk Axion Solar Telescope), который по своей чувствительности будет в три раза превосходить аналогичную установку CAST, работающую в ЦЕРНе. Основной целью наблюдений станет поиск аксионов — элементарных частиц, которые, согласно предположениям физиков, являются частью загадочной темной материи. Ввести Троицкий телескоп в эксплуатацию планируется в 2023 году.
В нобелевском масштабе
Аксионы — это одни из основных кандидатов, подходящих на роль темной материи, открытие которой входит в круг наиболее значимых задач современной физики. При этом их поиск сложен с технической точки зрения, поскольку основным свойством частиц должно быть крайне слабое взаимодействие с обычной материей, из которой состоят существующие экспериментальные установки. Проще говоря, в ходе исследований аксионы просто пролетают научные приборы насквозь, и поэтому их до сих пор никому не удалось зафиксировать.
Ситуацию должен изменить солнечный телескоп TASTE, который будет построен на базе Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН. По своей чувствительности российская установка в три раза превзойдет аналогичный телескоп CAST, работающий в ЦЕРНе, что дает надежду на открытие неуловимых частиц, претендующее на статус события нобелевского масштаба для современной физики.
Вместе с тем учеными предсказывалось существование и других частиц, из которых может состоять темная материя.
По словам ведущего научного сотрудника Государственного астрономического института им. Штернберга Сергея Попова, аксионы действительно являются очень хорошими кандидатами на роль темного вещества, однако не менее вероятным может быть и то, что в конечном итоге им окажется один из видов нейтрино. Всего в мире сейчас проводится около 10 экспериментов по поиску темной материи, и теоретически от любого их них есть смысл ожидать информацию о большом открытии.
— С другой стороны, сам факт получения аксионов не будет автоматически гарантировать открытие темной материи, поскольку для подобного утверждения нужно будет изучить их свойства и удостовериться в том, что они подходят под ее определение, — отметил Сергей Попов.
Единство элементов
Главным элементом нового телескопа будет сверхмощный магнит, способный сгенерировать магнитное поле в 3,5 тесла, рассказал главный научный сотрудник ИЯИ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Троицкий. Именно с его помощью планируется воздействовать на аксионы, родившиеся вследствие термоядерных реакций в солнечном ядре и долетевшие до прибора через космическое пространство и земную атмосферу. Предполагается, что в магнитном поле искомые частицы будут преобразовываться в фотоны, которые можно зарегистрировать современной техникой. Они станут составляющими обычного рентгеновского излучения.
Однако на этом этапе ученые столкнулись с вопросом о том, как отделить результаты превращения аксионов от фонового излучения, получаемого из других источников. Для решения этой проблемы будет использован второй элемент установки, а именно — рентгеновский телескоп, который сфокусирует поток искомых фотонов на детектор малых размеров (площадь воздействия будет снижена в 600 раз — с 60 кв. см до 1 кв. мм), что должно минимизировать воздействие случайных частиц.
— При этом следует подчеркнуть, что те фотоны, которые мы получим, скорее всего будут единичными, — отмечает Сергей Троицкий. — Возможно, их будет прилетать всего по несколько штук в год. Для того, чтобы не упустить эти частицы и оградить эксперимент от фонового излучения, специалистам предстоит разработать уникальный рентгеновский детектор, который станет самым низкофоновым в мире.
В настоящее время созданием этого прибора уже занимаются специалисты Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова.
В качестве вспомогательной системы в состав телескопа также будет включена мощная криогенная установка, которая будет вырабатывать жидкий гелий для охлаждения сверхпроводникового элемента магнита. Кроме того, телескопу понадобится и массивная механическая система для его наведения на солнце. При этом интересной особенностью эксперимента станет то, что в его рамках можно будет следить за солнцем круглосуточно, поскольку аксионы могут долетать до прибора даже через землю — когда светило находится ниже горизонта.
Тайная проволока в миллион долларов
Из-за высокой стоимости телескопа его создатели планируют использовать ряд элементов, которые уже сейчас имеются в распоряжении научных институтов. К таким составляющим относится, например, основная часть супермагнита — сверхпроводящая ниобий-титановая проволока (она была приобретена ранее для одного из экспериментов, который не получилось осуществить в 1990-е годы).
— Этот проводник длиной 32 км находится в Троицке и охраняется настолько серьезно, что даже я никогда его не видел. Правда, одному из наших ученых всё же удалось получить пропуск, и он удостоверился в возможности ее использования, — это позволит сэкономить около миллиона долларов бюджетных средств (такова рыночная стоимость новой проволоки с аналогичными свойствами), — рассказал Сергей Троицкий.
Кроме того, в распоряжении ученых уже находится гелиевая система охлаждения LINDE TCF-50 производительностью 60 л/ч — сейчас она используется на проекте Троицк-ню-масс в ИЯИ РАН, целью которого является изучение нейтрино (предполагается, что ко времени окончания строительства телескопа он уже будет завершен). Рыночная стоимость этой установки также составляет около $1 млн.
В поисках телескопа
В настоящий момент команда разработчиков (точнее, та ее часть, которая работает в Институте космических исследований РАН) находится в поисках рентгеновского телескопа, подходящего для TASTE — в качестве кандидатов на эту роль в первую очередь рассматриваются те аппараты, которые дублируют свои аналоги, запущенные в космос для орбитальных исследований. Если подобный телескоп будет найден, это позволит сэкономить еще один (уже третий) миллион долларов.
— Как правило, такая техника является резервной и простаивает без дела. Мы же можем дать ей вторую жизнь, использовав для поиска частиц темной материи, — пояснил Сергей Троицкий.
Целесообразность такого подхода подтвердил и астрофизик Сергей Попов.
— В существующем теоретическом материале мало информации о свойствах аксионов, что не может полностью гарантировать успех какой-либо из установок, нацеленных на их поиск, а значит и целесообразность тех вложений, которых требуют эксперименты. Вместе с тем вероятность положительных результатов есть, и она растет по мере улучшения характеристик оборудования. Поэтому строительство телескопа TASTE оправданно — особенно по соотношению значимости потенциального открытия для науки и стоимости оборудования, которая выглядит более чем скромно, если учесть, что цена реализации крупных научных проектов в области поиска частиц сейчас достигает сотен миллионов (а в некоторых случаях — миллиардов) долларов, — считает ученый.
Конечная стоимость создания телескопа TASTE с учетом максимального использования уже имеющейся техники и материалов составит около 400 млн рублей.
Аксионная гонка
Несмотря на уникальные характеристики отечественного телескопа, в среднесрочной перспективе у него может возникнуть серьезный конкурент — это будет европейский проект IAXO, включающий сразу восемь установок, сопоставимых с российской по характеристикам. В настоящее время разработчики этого комплекса телескопов занимаются активным поиском финансирования, объем которого (судя по масштабам и цене требуемого оборудования) будет по-настоящему огромен и превысит денежные потребности российского проекта примерно в 10 раз.
Основные отличия проекта IAXO от TASTE будут состоять в количестве одновременных наблюдений (восемь против одного), большей стоимости и меньшей скорости реализации. При своевременном финансировании Троицкий телескоп планируется ввести в эксплуатацию уже в 2022 году, что даст создателям отечественного телескопа все шансы на первенство.
