ЖЭТФ, 2022, том 161, вып. 4, стр. 461-465

ВЫДАЮЩИЕСЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА LHAASO В

ОБЛАСТИ ГАММА-АСТРОНОМИИ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Ю. В. Стенькин^*

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, Россия

Поступила в редакцию 1 октября 2021 г.,

после переработки 4 ноября 2021 г.

Принята к публикации 8 ноября 2021 г.

Обсуждаются недавние результаты, полученные в эксперименте LHAASO. Показано, что благодаря сво-

им выдающимся характеристикам установка Km2A, являющаяся одной из составных частей этого экс-

перимента и предназначенная для регистрации широких атмосферных ливней, оказалась уникальным

инструментом для целей гамма-астрономии. С помощью лишь работающей половины этой установки

уже открыты ПэВатроны (природные ускорители частиц до энергий 10¹⁵ эВ и более) в нашей Галактике,

обнаружено много новых астрофизических источников гамма-квантов, измерены энергетические спект-

ры излучаемых гамма-квантов и, что особенно важно, с точностью до 0.05^◦ определены направления

их прихода, т. е. с такой точностью локализованы их источники. Это уже позволяет сделать некоторые

выводы о природе ПэВатронов, т. е. о возможных механизмах ускорения космических лучей.

Статья для специального выпуска ЖЭТФ, посвященного 100-летию А. Е. Чудакова

DOI: 10.31857/S0044451022040010

гамма-ливней с помощью водных черенковских

EDN: DPERUF

детекторов, когда защищенный от света слой воды

в несколько метров просматривается фотоумно-

1. ВВЕДЕНИЕ

жителями. Примером такой установки является

HAWC [6], состоящая из 300 баков с водой диа-

Основоположником экспериментальной гам-

метром 7.3 м. Несмотря на внушительные размеры

ма-астрономии был академик А. Е. Чудаков, под

этих установок, их регистрирующая площадь все

руководством которого еще в начале 1960-х годов в

еще мала для регистрации очень слабых потоков

Крыму была создана первая в мире установка для

гамма-квантов от астрофизических объектов при

регистрации черенковского излучения от широких

энергиях более 1 ПэВ (1 петаэлектронвольт равен

атмосферных ливней (ШАЛ), на которой были

10¹⁵ эВ).

получены первые в данной области эксперимен-

тальные результаты [1]. С тех пор в мире было

2. ЭКСПЕРИМЕНТ LHAASO

создано множество подобных установок, техника

и особенно электроника шагнули далеко вперед,

Международный высокогорный эксперимент

телескопы стали «имиджевыми», их угловое разре-

LHAASO (large high altitude air shower observa-

шение и светосила стали намного лучше. В качестве

tory) [7] объединяет в себе все указанные выше

примера можно назвать такие установки, как HESS

методики. Проект находится пока еще в процессе

[2], MAGIC [3], CTA [4], Tunka [5]. Такие установки

создания в КНР в провинции Сычуань на высоте

имеют очень хорошее угловое разрешение. Светоси-

4410

м над уровнем моря. Эксперимент явля-

ла зависит от площади зеркал, суммарная площадь

ется мультизадачным и состоит из нескольких

которых в планируемом телескопе CTA будет

независимо работающих установок. Для целей

40000 м². Позже появилась техника регистрации

гамма-астрономии изначально были предназначе-

ны две установки: WFCTA (wide field Cherenkov

^* E-mail: stenkin@sci.lebedev.ru

telescope array) — 12 широкоугольных имиджевых

461

Ю. В. Стенькин

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

телескопов, и WCDA (water Cherenkov detector

угловое разрешение установки Km2A равно 0.25^◦

array) — 3 гигантских, разделенных на ячейки

для энергий выше 100 ТэВ, а абсолютная ошибка

водных черенковских бассейна общей площадью

определения направления на источник (pointing

300 × 260 м². Завершение строительно-монтажных

accuracy) составляет около

0.05^◦. Это намного

работ ожидается в конце

2021

г. Тем не менее

лучше, чем у любой другой ШАЛ-установки как в

эксперименты там уже проводятся с 2019 г., идет

прошлом, так и в настоящем.

расширение действующих установок и набор ста-

Еще одним важнейшим достоинством установ-

тистики. Наша группа из ИЯИ РАН участвует

ки Km2A является огромная площадь мюонных де-

в этом эксперименте. Наша цель

— измерение

текторов (36630 м²), позволяющая проводить эф-

спектра и массового состава космических лучей

фективный отбор гамма-ливней на фоне большо-

в области энергий 1 ПэВ и выше путем создания

го количества обычных адронных ШАЛ. Достигну-

установки ENDA из 400 разработанных в ИЯИ

тый к настоящему времени коэффициент подавле-

РАН электронно-нейтронных детекторов (эн-детек-

ния адронных ливней равен 10⁴ для 100-тераэлект-

торов), регистрирующих две компоненты ШАЛ:

ронвольтных ШАЛ и около 10⁵ для петаэлевтрон-

основную адронную (через тепловые нейтроны) и

вольтных. И это только по мюонной компоненте. В

электронную [8].

дальнейшем это параметр будет существенно увели-

Основной частью LHAASO является Km2A

чен путем использования образа и применения ал-

(km² array) — установка для регистрации ШАЛ,

горитмов машинного обучения.

состоящая из 5563 наземных электронных детекто-

Пример установки Km2A наглядно демонстриру-

ров (ED) площадью по 1 м² и 1221 заглубленных

ет «переход количества в качество». Имея такие вы-

мюонных детекторов (MD) площадью по 30 м².

дающиеся параметры, эта установка (даже ее дейст-

Детекторы расположены в виде треугольной сетки:

вующая половина) уже позволила получить на ней

ED с шагом 15 м, а MD с шагом 30 м. Общая

выдающиеся результаты, речь о которых пойдет ни-

площадь установки более 1 км². Такая площадь

же.

обеспечивает ей рекордную светосилу, более чем

на порядок величины превосходящую светосилу

WCDA. При этом установка очень плотная и на-

3. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ

сыщенная, что также делает ее недосягаемой для

НА УСТАНОВКЕ Km2A

конкурентов. В результате именно это установка

первой начала выдавать уникальную научную

2021

В мае

г. вышла статья коллаборации

информацию в области гамма-астрономии.

LHAASO [11] по гамма-источникам, обнаруженным

До сих пор считалось, что угловое разрешение

с помощью установки Km2A. В таблице приведены

классической ШАЛ-установки составляет несколь-

эти источники с указанием статистики на момент

ко градусов. Заметим, что первые ШАЛ-установки

написания статьи и имеющимися астрофизиче-

(классические) состояли из нескольких десятков де-

скими объектами в окрестности каждого из них.

текторов. При этом известно, что угловое разреше-

Максимальная энергия, зарегистрированная на

ние зависит как 1/√n от количества n сработавших

момент написания статьи (конец 2020 г.), равня-

детекторов. Понятно, что, при прочих равных усло-

лась 1.42 ПэВ от источника LHAASO J2032+4102,

виях, отношение разрешения двух установок с коли-

находящегося в так называемом Коконе Лебедя,

чеством вовлеченных в событие детекторов, n₁ и n₂,

но не совпадающего точно ни с одним из извест-

√

будет равно

n₁/n₂. Отсюда видно, что при n₁ = 50

ных астрофизических объектов. Набор статистики

и n₂ = 5000 разрешение второй установки будет в

продолжается, и сейчас открыто уже несколько

10 раз меньше, при этом градусы превращаются в

ПэВатронов, что, скорее всего, свидетельствует в

доли градуса.

пользу адронного механизма ускорения — адрон-

Разрешение также существенно зависит от

ных ПэВатронов. Интересной особенностью новых

структуры ливневого диска, от его толщины и от

источников, отмеченной в таблице, является то,

количества ливневых частиц, прошедших через

что только один из них (первая строка) совпадает

детекторы [9]. При одинаковой мощности ливня

в пределах ошибок измерения с известным астро-

большее количество вовлеченных детекторов и

номическим объектом — пульсаром в Крабовидной

большее число зарегистрированных частиц обес-

туманности.

печивают лучшее временное, а значит, и угловое

При внимательном изучении этой таблицы вид-

разрешение. Определенное экспериментально [10]

но, что поблизости от каждого из 12 найденных ис-

462

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Выдающиеся достижения эксперимента LHAASO. . .

Таблица. Источники гамма-квантов сверхвысоких энергий, обнаруженные установкой Km2A [10]

Число

Время

Объекты

Источник cобытий

Фон

E_max, ПэВ

событий

наблюдения, ч

в окрестности

LHAASO J0534+2202

5.5

2236.4

0.88

Crab, PSR

LHAASO J1825-1326

3.2

1149.3

0.42

2 PSR

LHAASO J1839-0545

4.2

1614.5

0.21

2 PSR

LHAASO J1843-0338

4.3

1715.4

0.26

SNR

LHAASO J1849-0003

4.8

1865.3

0.35

PSR, YMC

LHAASO J1908+0621

5.1

2058.0

0.44

2 PSR, SNR

LHAASO J1929+1745

5.8

2282.6

0.71

2 PSR, SNR

LHAASO J1956+2845

6.1

2461.5

0.42

PSR

LHAASO J2018+3651

6.3

2610.7

0.27

PSR, YMC

LHAASO J2032+4102

6.7

2648.2

1.42

Cygnus OB2, PSR, YMC

LHAASO J2108+5157

6.4

2525.8

0.43

LHAASO J2226+6057

6.2

2401.3

0.57

Boomerang Nebula, PSR, SNR

точников находятся один или два пульсара (PSR),

же есть трудности с предсказанием энергетическо-

скопления молодых звезд (YMC), и в окрестностях

го спектра (в расчетах получается очень жесткий

только четырех из них имеются остатки сверхно-

спектр), но предсказывается тяжелый состав при

вых (SNR). Это весьма удивительно и неожиданно,

ультравысоких энергиях, что отчасти согласуется с

поскольку, согласно общепринятому на сегодняш-

экспериментами (по крайней мере на установке об-

ний день механизму ускорения, основным источни-

серватории P. Auger [14]).

ком космических лучей считаются именно остатки

Другая недавно опубликованная работа

сверхновых. По-видимому, сейчас начнется интен-

LHAASO

[15] посвящена результату, получен-

сивный поиск новых теорий и механизмов, обес-

ному на установках Km2A и WCDA, а именно,

печивающих работы природных ускорителей час-

всестороннему изучению потока гамма-квантов от

тиц — ПэВатронов. Относительно недавно в каче-

известного источника в Крабовидной туманности,

стве возможных «стационарных» ПэВатронов были

являющегося

«эталонным светильником» в на-

предложены скопления молодых массивных звезд

шей Галактике. Этот объект представляет собой

[12], тогда как сверхновые могут ускорять космиче-

остаток исторической сверхновой 1054 г. Сейчас

ские лучи до петаэлектронвольтных энергий лишь

внутри туманности находится пульсар, хорошо

непродолжительное время после коллапса и не мо-

видимый в оптической, рентгеновской и в других

гут обеспечить наблюдаемый поток. В окрестностях

областях спектра. Эксперимент Km2A

«видит»

трех из найденных источников (в том числе и най-

этот источник в диапазоне энергий 40-400 ТэВ на

денного ПэВатрона LHAASO J2032+4102) действи-

уровне выше 46 стандартных отклонений. Спектр

тельно имеются такие скопления. Отметим, что в

выше энергий

ТэВ, измеренный установками

моделях ускорения частиц на оболочках сверхновых

WCDA и Km2A, в принципе неплохо согласуется

не так просто получить степенной энергетический

с ожидаемым от рассеяния электронов на фото-

спектр космических лучей, согласующийся с наблю-

нах (обратный комптон-эффект), свидетельствуя

даемым, как, впрочем, и химический состав косми-

тем самым, что там точно «работает» лептонный

ческих лучей.

механизм ускорения. Однако этот механизм, как

Что касается ускорения космических лучей пуль-

ожидается, работает лишь при энергиях ниже

сарами, то данные LHAASO прямо указывают на их

1 ПэВ, поскольку при энергиях в области сотен

присутствие в окрестностях найденных источников.

тераэлектронвольт его эффективность резко па-

Эти объекты рассматривались и ранее в качестве

дает. Между тем от Крабовидной туманности

возможных источников космических лучей (см., на-

уже зарегистрированы гамма-кванты с энергией

пример, работу [13] и ссылки в ней). Однако тут то-

выше 1 ПэВ. Как было отмечено, скорее всего там

463

Ю. В. Стенькин

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

работает также и протонный (адронный) ПэВат-

было пророчески написано Чудаковым в 1963 г. На

рон, генерирующий гамма-кванты при распадах

наш взгляд, слова о ранних этапах развития Вселен-

нейтральных пионов. А это значит, что пульсары в

ной очень хорошо коррелируют с гипотезой Агаро-

нашей Галактике являются источниками космичес-

няна и др. [12], если считать, что процессы, проис-

ких лучей вплоть до энергий 10 ПэВ/нуклон. На

ходящие в ранней Вселенной, были идентичны тем,

самом деле, скорее всего, и больше, поскольку набор

которые происходят сейчас в скоплениях молодых

статистики продолжается, и где предел возможной

массивных звезд или в центре Галактики. Нако-

энергии гамма-квантов пока не известно, а энергия

нец, теоретикам следует поискать новые механизмы

родительских протонов должна быть примерно на

ускорения космических лучей пульсарами, которые

порядок выше, чем энергии образуемых вторичных

смогли бы объяснить наблюдаемые в эксперименте

гамма-квантов (сначала энергия делится между

LHAASO как спектры гамма-квантов, так и близкое,

рожденными пионами, затем нейтральный пион

но не полное пространственное совпадение найден-

порождает два гамма-кванта, и энергия делится

ных источников с пульсарами и другие особенности.

еще на

2). Измеренный спектр гамма-квантов

от Крабовой туманности в широком диапазоне

энергий от 0.3 ТэВ до 1.6 ПэВ хорошо аппроксими-

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

руется степенным спектром с дифференциальным

показателем 3.12 ± 0.03.

Международный высокогорный эксперимент

Дополнительную информацию по упомянутым

LHAASO, находясь в процессе создания, уже на-

статьям можно посмотреть по ссылке: http://

чал получать важнейшие научные результаты.

english.ihep.cas.cn/doc/4035.html.

Огромная эффективная площадь установки Km2A,

большая плотность детекторов, хорошая и надеж-

ная система сбора данных, большая высота над

уровнем моря делают этот эксперимент недосягае-

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

мым для конкурентов в ближайшее десятилетие. За

Итак, полученные первые результаты экспери-

первый год работы лишь части установки уже от-

мента LHAASO уже имеют далеко идущие послед-

крыты 12 новых источников, включая ПэВатроны.

ствия. Можно даже констатировать открытие ново-

Всесторонне исследован «эталонный источник» —

го этапа в исследовании космических лучей, их ис-

Крабовидная туманность, в которой также, как ока-

точников, астрофизики. Если до сих пор гамма-аст-

залось, работает ПэВатрон, а возможно, даже два:

рономия и физика космических лучей существовали

лептонный и адронный. Измерены энергетические

порознь, то теперь, при переходе энергий наблюдае-

спектры излучаемых ими гамма-квантов, которые,

мых гамма-квантов в область выше 1 ПэВ и при точ-

по крайней мере для некоторых источников, хорошо

ном целеуказании на источник, происходит их слия-

описываются степенным законом с дифференци-

ние. Оказывается, что как космические лучи, так и

альным показателем близким к 3. В ближайшие

гамма-кванты образуются в одних и тех же источни-

несколько лет, по мере расширения площади

ках, в одних и тех же процессах. Это особенно важ-

установок и накопления статистики эксперимента

но для физики космических лучей. По-видимому,

LHAASO, можно с уверенностью ожидать новых

модель ускорения космических лучей в оболочках

выдающихся открытий как в гамма-астрономии,

сверхновых не выдерживает проверки эксперимен-

так и в астрофизике и физике космических лучей

том, требуются новые модели. В этой связи уместно

сверхвысоких энергий.

напомнить, что с самого начала эта модель поддер-

Подробно ознакомиться с программой исследо-

живалась не всеми учеными. И, что особенно важ-

ваний эксперимента LHAASO и детальным описани-

но для данного выпуска журнала, она не поддер-

ем входящих в него установок можно в специальном

живалась А. Е. Чудаковым, о чем он неоднократно

выпуске журнала Chinese Physics C под названием

спорил с В. Л. Гинзбургом. Так, в работе [1] есть

LHAASO Science Book [16].

такие слова: “one cannot exclude the possibility, that

the envelope of supernovae is not so powerful source

of cosmic rays, as it is assumed at present. If so, the

ЛИТЕРАТУРА

solution of the problem of the cosmic ray origin is to be

connected with the objects of another nature, perhaps

1. A. E. Chudakov, V. L. Dadykin, V. I. Zatsepin, and

on the earlier stage of our Galaxy development”. Это

N. M. Nesterova, in Proc. ICRC1963, Vol. 4, p. 199.

464