Сотню раз в секунду сквозь каждого из нас проходит частица, рожденная задолго до появления человечества — в далекой галактике или в верхних слоях атмосферы. Она не оставляет следа, не вступает в реакцию, не причиняет вреда. Физики называют ее мюоном, а в НИЯУ МИФИ построили установку, которая умеет этих невидимок не просто ловить, а опознавать по имени, заряду и настроению.
Устройство с аббревиатурой МДМ выглядит как гигантский слоеный пирог весом под пятьдесят тонн. Начинка — стальные плиты, перемежающиеся дрейфовыми камерами. Внутри камер — смесь аргона и углекислого газа, которая начинает светиться, если сквозь нее пролетает заряженная частица. Чем точнее след, тем больше можно сказать о том, откуда гость явился и что повидал по дороге к Земле.
Сложность в том, что космические лучи никогда не приходят поодиночке. Ворвавшись в атмосферу, первичная частица рождает каскад из тысяч осколков. Гамма-кванты, электроны, протоны, пионы и мюоны валятся на детектор толпой. И почти все, кроме мюонов, притворяются теми, кем не являются. Задача учёных — отсеять самозванцев.
Чтобы понять, на что способен детектор еще до его физического запуска, исследователи устроили ему цифровые испытания. В модель, написанную на платформе Geant4, запускали виртуальные частицы с энергией от смехотворного мегаэлектронвольта до тераэлектронвольт, которые трудно вообразить. Выяснилось: стальная защита отсекает всех, чей запас энергии ниже 0,38 ГэВ. Для мюона это цена билета на вход. Ниже порога — разворот.
Дальше — интереснее. Когда в симуляции на МДМ обрушили настоящий ливень из 436 частиц одновременно, алгоритм реконструкции треков повёл себя как опытный регулировщик: 98,5 % мюонов опознаны верно, остальные 1,5 % — забракованные электроны и протоны, которые пытались пройти по чужим документам. Метод прост и элегантен: трек в верхнем слое камер проецируют на нижний, и если в пределах трёх миллиметров и пяти градусов находится продолжение — это мюон. Нет — значит, частица сопровождения.
У системы есть и свои капризы. Мюоны с энергией ниже 24 ГэВ начинают заметно вилять в стали, отклоняться от курса и теряться из виду. А выше 10 ТэВ они, напротив, плодят столько вторичных частиц, что дрейфовые камеры захлёбываются — больше пятнадцати треков одновременно они обрабатывать не умеют. Приходится вежливо отсеивать слишком бурные события.
Нейтроны и гамма-кванты, сами по себе нейтральные, напрямую не видны детектору. Но, ударившись о сталь, они с радостью рождают заряженное потомство, которое тут же фиксируется камерами. Так МДМ видит даже то, что прячется за маской невидимости.
Работа выполнена на уникальной установке «Экспериментальный комплекс НЕВОД» при поддержке Российского научного фонда. Вскоре МДМ встанет в строй вместе с водным черенковским детектором, нейтронными счетчиками и другими приборами. Цель — научиться восстанавливать полную картину космического ливня: от первой вспышки в стратосфере до одинокого мюона, финишировавшего в подземной лаборатории.
Каждый мюон, пойманный этой установкой, — письмо из прошлого. Написанное за миллиарды световых лет от нас и доставленное без опозданий. Теперь у человечества есть адресат, который умеет такие письма читать.
Исследование опубликовано в журнале «Ядерная физика и инжиниринг»
