Так уж повелось, что в конце года все подводят итоги и загадывают на будущее. Хотя научный мир ФИАНа более солиден и строг в этом отношении, но и он не чужд строительства новых планов. Вот только охватить в одно мгновенье их все не удастся: слишком уж широко поле деятельности! А потому мы решили узнать об одном из многих, но весьма известных в мире, направлений – о церновских проектах. Со своими вопросами мы обратились к директору ФИАНа, член-корр. РАН Николаю Николаевичу Колачевскому.

– Николай Николаевич, насколько мне известно, недавно Вы с группой ученых ФИАНа посетили ЦЕРН. Какова была цель визита?

    Этот визит связан как с укреплением уже существующих связей ФИАНа и ЦЕРНа, так и с формированием новых направлений сотрудничества с нашим участием. В ходе поездки состоялась встреча с высшим руководством ЦЕРНа: будущим директором Фабиолой Джанотти, руководителями (точнее – споуксменами) таких крупных проектов, как ATLAS и CMS. Фабиола Джанотти ранее была споуксменом проекта ATLAS, а с 2016 г. заступает на должность генерального директора ЦЕРНа. Учитывая грядущие кадровые изменения, этот визит был вдвойне важен для нас.

...

    Эксперимент CLOUD, который проводится в Европейском центре ядерных исследований  (ЦЕРН) при активном участии ученых из ФИАНа, очень необычен для Европейского ядерного центра. В нём исследуют процессы образования облаков в земной атмосфере и пытаются понять роль антропогенного воздействия, космических лучей и других факторов в этом явлении. По итогам первого этапа работы проекта уже получены данные о критически важном влиянии на скорость образования облаков таких факторов, как ионизация атмосферы и содержание различных молекул.

    Сама установка эксперимента CLOUD представляет собой стальную цилиндрическую камеру (диаметр – 3 м, высота – 2.8 м), в которой искусственно создают условия земной атмосферы (см. рисунок). В ней можно изменять состав и степень ионизации газообразной смеси, а так же её температуру и давление. От ускорителя к камере подводится пучок заряженных частиц, пионов, с энергией ~ 3 ГэВ.

    Комментируют Владимир Махмутов, заведующий лабораторией физики Солнца и космический лучей ФИАН, руководитель эксперимента CLOUD с российской стороны, и главный научный сотрудник ФИАН, профессор Юрий Стожков. 

    «Годоскоп, прибор для измерения потока частиц от ускорителя, был создан силами сотрудников ФИАН – он даёт информацию о пространственном и временном распределении заряженных пионов, инжектируемых ускорителем. Так же мы создали прибор для измерения потока космических частиц в месте проведения эксперимента CLOUD.  Мы контролируем работу этих приборов, чтобы знать физические условия, в которых проводится эксперимент» 

    Внимание к космическим лучам (потокам высокоэнергетичных заряженных частиц в земной атмосфере) неслучайно. Они являются основным источником ионов в атмосфере и оказывают заметное влияние на многие атмосферные процессы, включая образование облачности. Так, в конце XX века датскими учеными были получены указания на связь изменений потока космических лучей и изменений площади облачного покрова над Атлантическим океаном.

    Основная причина такой взаимосвязи – ионизация атмосферы. После взаимодействия высокоэнергичных заряженных частиц с молекулами атмосферы, в ней образуются ионы, которые влияют на процесс нуклеации. Они легко прилипают к различным аэрозолям и конгломератам нейтральных молекул, будущим центрам облакообразования. Так как космические лучи в нашей Галактике существуют постоянно, то и ионы в атмосфере присутствуют всегда – изменяется только их концентрация в зависимости от потока космических частиц.

    «В настоящее время сам физический механизм нуклеации в атмосфере окончательно не ясен, несмотря на то, что она является одной из главных причин, определяющих процесс образования облачности и, в конечном итоге, климата на Земле. Проект CLOUD направлен на изучение этого механизма. Запланировано проведение большого ряда экспериментов с различными компонентами, наблюдаемыми в реальной земной атмосфере» – отмечает Владимир Махмутов. 

    Ранее в экспериментах CLOUD было установлено, что скорость нуклеации значительно возрастает с увеличением концентрации паров серной кислоты H₂SO₄, и аммиака, которые служат центрами конденсации молекул воды. Присутствие же ионов (не важно, как они образовались – после взаимодействия с частицами космических лучей или с ускоренными пионами)  увеличивает скорость нуклеации в десятки раз.

    Однако, реальные скорости нуклеации в нижней атмосфере значительно (в сотни раз) превосходят эти результаты. Поэтому в эксперименте CLOUD стали исследоваться процессы формирования аэрозолей не только с участием паров серной кислоты и аммиака, но и других компонент, которые могли бы играть ключевую роль в процессах нуклеации. Уже получены первые данные о критически важном влиянии ряда веществ в очень небольшой концентрации. В частности, эксперименты показали, что незначительные добавки диметиламина (C₂H₇N) в рабочей камере увеличивают скорость нуклеации на 2-3 порядка, что вполне сопоставимо с наблюдаемыми природными процессами [Nature, 502, №7471, 2013].

    «Эксперимент CLOUD ещё далеко не закончен. Научная программа проекта, в разработке которой активно участвует и наша группа, предусматривает не только экспериментальное и теоретическое исследование механизмов образования центров зарождения облачности, но и, например, образования грозовых облаков и создания в них сильных электрических полей. Значительная часть экспериментов будет посвящена изучению роли знака электрического заряда ионов в обсуждаемых выше процессах.  Важной задачей эксперимента CLOUD является также исследование влияния аэрозольных частиц, аминов и кислотных примесей на атмосферные процессы, что позволит, в конечно итоге, выяснить роль естественных и антропогенных причин наблюдаемого последние полвека глобального изменения климата на Земле» – Юрий Стожков.

    Решение вопросов, поставленных перед экспериментаторами в проекте CLOUD, позволит не просто понять физические причины изменения земного климата, но и, при самых смелых фантазиях, научиться этими изменениями управлять на благо человечества.

М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»

Июнь 2010 года – это не только первый летний месяц года, это еще и месяц первого рабочего раунда ЦЕРНовского эксперимента по изучению связи между космическими лучами, атмосферными процессами и климатом на Земле - CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets). На днях (работы закончились в первые дни июля) из ЦЕРНа вернулся руководитель российской группы-участницы проекта, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Владимир Махмутов, и рассказал о подробностях проведения эксперимента.

Экспериментальная база проекта CLOUD создавалась в течение нескольких лет и успешно прошла стадию калибровки еще в ноябре 2009 года. Но только сейчас участники международной коллаборации (помимо России в проекте участвует еще 9 стран – Австрия, Болгария, Великобритания, Германия, Португалия, США, Финляндия, Швейцария и Эстония) дождалась своей «очереди» на работу с источником ускоренных частиц – протонным синхротроном PS. Согласно сценарию эксперимента пучок частиц от этого ускорителя, имитируя космические лучи, попадает в специальную трехметровую камеру, в которой можно создавать близкие к атмосферным условия на разных высотах. Множество точных детекторов, которыми снабжена камера, позволят наблюдать за развитием происходящих процессов в камере CLOUD, в частности, за появлением положительно и отрицательно заряженных ионов, их эволюцией и взаимодействием с центрами конденсации водных капель и т.д.
Нужно сказать, что связь между космическими лучами, атмосферными процессами и изменением климата обсуждается учеными уже более десяти лет. Особенно актуальным этот вопрос стал в связи с наблюдением на протяжении последних полутора лет аномально высоких потоков космических лучей (рис.), поэтому вывод относительно того, какие изменения в связи с этим могут произойти в атмосфере Земли, станет одним из центральных выводов международного эксперимента CLOUD.

При проведении совместного анализа лабораторных экспериментальных данных и состыковки их с условиями в природе ученые будут опираться на результаты наблюдений за космическими лучами в земной атмосфере. Такие наблюдения с помощью радиозондов вот уже более полувека проводят сотрудники Долгопрудненской научной станции имени С.Н. Вернова ФИАН (лаборатория Физики Солнца и космических лучей). Именно они и являются одними из инициаторов и представителями России в проекте CLOUD. Одним из важнейших результатов работы долгопрудненских астрофизиков стали данные о поведении космических лучей в зависимости от атмосферного давления, уровня солнечной активности и геомагнитных условий в зоне наблюдения.

«До начала 90-х годов мы проводили измерения ежедневно, иногда даже 2 раза в сутки; сейчас, из-за финансовых трудностей они проводятся 3 раза в неделю. Зоны наших наблюдений - это станции Апатиты (Мурманская область), город Москва и антарктическая станция Мирный. Таким образом, мы охватываем средние широты, а также южные и северные полярные зоны. Полярные широты особенно важны, так как структура магнитного поля Земли в полярных областях, в отличие от средних широт, позволяет проникать в атмосферу Земли заряженным частицам малых энергий. Анализируя данные, полученные на разных широтах и высотах в атмосфере, мы можем установить, как ведут себя частицы разных энергий – малых, средних, больших», - рассказывает заведующий ДНС ФИАН Юрий Стожков.

Как сообщил Владимир Махмутов, в первом рабочем раунде эксперимента CLOUD в широких пределах варьировались пространственно-временные характеристики потока ионизирующих частиц, например, его плотность. Таким способом исследователи планируют определить время жизни отрицательно и положительно заряженных ионов в зависимости от уровня ионизации.

«В настоящее время, - комментирует Владимир Махмутов, - есть только оценки времени жизни ионов, полученные в отдельных экспериментах. Сейчас же у нас появилась возможность точно определить эти времена для ионов разных знаков, так как в лабораторном эксперименте, в отличие от природного, мы знаем плотность потока заряженных частиц, проходящего через рабочий объем камеры, а также энергетические потери частиц на ионизацию воздуха. Известны и все необходимые параметры воздушной среды в камере».

Первый этап эксперимента успешно завершился в начале июля. Проанализировать полученные данные ученые надеются уже к концу августа этого года. Причем анализ будет осуществляться независимо двумя группами – российской, под руководством Владимира Махмутова, и группой исследователей из Финляндии.
Окончание проекта запланировано на 2013 год, однако в практике ЦЕРНовских экспериментов имеются случаи пролонгации работ, например, в случае возникновения новых экспериментальных задумок. Для эксперимента CLOUD такие задумки появляются уже сейчас.

«В связи с недавним извержением вулкана в Исландии у нас появилось предложение провести эксперимент по исследованию влияния на атмосферу и климат вулканического пепла, частицы которого также имеют заряд. Но это предложение пока на стадии формирования, а вот другое наше предложение - по исследованию процесса конденсации водяных паров на аэрозолях, заряженных разными знаками, уже стоит в плане работ на следующий год. Это крайне важный процесс, который еще не был проанализирован экспериментально, но есть теоретические предпосылки, которые свидетельствуют в пользу того, что отрицательно и положительно заряженные частицы аэрозолей по-разному влияют на процесс конденсации водяных паров в атмосфере», - рассказывает руководитель российской группы.

Согласно одобренной руководством ЦЕРНа программе проекта участники коллаборации CLOUD могут пользоваться ускорителем протонов дважды в год. Второй рабочий раунд этого года уже запланирован - на осень. В ходе него будут продолжены эксперименты по исследованию процесса ионообразования в условиях, близких к атмосферным на разных высотах. При этом одним из изменяющихся параметров станет температура воздуха.

«Вариация температуры в атмосфере в зависимости от высоты, места, времени года и суток – это обычное явление. Например, в приземной атмосфере летом жарче, зимой холоднее, поэтому важно посмотреть, как же влияет температура на время жизни ионов, - поясняет значимость эксперимента Владимир Махмутов. - На протяжении последних полутора лет мы живем в условиях очень низкой солнечной активности и необычно высоких потоков космических лучей, проникающих в нашу атмосферу. Поэтому актуальность эксперимента CLOUD, также как и проведение измерений потоков космических лучей в атмосфере на разных высотах и широтах, возрастает».

По результатам анализа данных летнего и осеннего раундов эксперимента CLOUD в этом году планируется подготовка и представление докладов на международных конференциях, а также подготовка публикаций, в том числе и для журнала «Nature».

АНИ «ФИАН-информ»

22 ноября 2009 года в Москву прилетел руководитель Отделения ядерной физики и астрофизики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) д.ф.-м.н. Олег Далькаров, который участвовал в 31-м заседании Совместного Комитета Россия - ЦЕРН, сопредседателями которого являются министр образования РФ Андрей Фурсенко и генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер.

Вечером 20 ноября 2009 года состоялся пробный запуск Большого адронного коллайдера (БАК или LHC). 

...

В настоящее время продолжается активное сотрудничество лабораторий ФИАН с ЦЕРНом, начало которому было положено более 40 лет назад. Сотрудники ФИАН принимают активное участие в экспериментальных и теоретических исследованиях фундаментальных взаимодействий в ЦЕРНе и обработке данных:

• в изготовлении и эксплуатации
- трекового детектора переходного излучения для эксперимента ATLAS; 
- жидкоаргоновых калориметров для эксперимента ATLAS; 
- электромагнитного калориметра для эксперимента CMS; 
• в эксперименте OPERA по поиску осцилляций нейтрино;
• в эксперименте COMPASS по изучению реакций ассоциативного рождения адронов;

• в эксперименте CLOUD по исследованиям роли потоков заряженных частиц, как в формировании электродинамических свойств атмосферы, так и в процессе глобальных изменений облачности и климата;

• в разработке программного пакета GEANT-4, предназначенного для моделирования прохождения ионизирующего излучения через вещество;

...

Целью проекта PS215/CLOUD (д.ф.-.м.н. Махмутов В.С., работы на ускорителе PS) являются фундаментальные исследования роли потоков заряженных частиц как в формировании электродинамических свойств атмосферы, так и в процессе глобальных изменений облачности и климата (в том числе – исследование космофизических причин наблюдаемого в последние годы процесса глобального потепления на Земле.

...