Наземный барометр

Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (НИЯУ МИФИ) создали и успешно запустили уникальную научную установку ПРИЗМА, которая действует как наземный барометр космической погоды. Осенью 2024 года она зафиксировала экстремально редкое событие на Солнце, которое за всю историю наблюдений регистрировалось лишь 76 раз.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

ПРИЗМА (PRImary Spectrum Measuring Array) — это массив из 36 детекторов, расположенных в экспериментальном комплексе НЕВОД. Установка уникальна своей способностью работать в двух режимах одновременно, исследовать «широкие атмосферные ливни» — каскады из миллионов частиц, рождающихся в атмосфере от ударов космических лучей, и регистрировать фоновый поток тепловых нейтронов, который меняется в зависимости от солнечной активности, гроз, сейсмических процессов и даже влажности почвы.

В основе детекторов — специальные гранулы, которые светятся при пролете через них заряженных частиц. Для регистрации нейтронов в гранулы добавлен изотоп литий-6. При «захвате» нейтрона литием рождаются заряженные частицы, которые и вызывают вспышку света. Электроника установки научилась отличать эти вспышки от сигналов других частиц.

Модернизация установки, позволившая ей выйти на новый уровень, велась в 2023–2024 годах при поддержке гранта Российского научного фонда.

Главным испытанием для обновленной установки ПРИЗМА стала мощнейшая солнечная вспышка, произошедшая 11 ноября 2024 года. Обычно после вспышек поток нейтронов на Земле падает, но в этот раз произошло обратное: он резко вырос на 20%.

«Это явление называется Ground Level Enhancement — усиление на уровне Земли,— пояснил руководитель проекта кандидат физико-математических наук Дмитрий Громушкин.— Оно случается, когда солнечная вспышка работает как гигантский ускоритель и выбрасывает в сторону Земли потоки протонов, достигающих нашей планеты за считаные минуты. За всю историю наблюдений с 1942 года такие события регистрировались всего 76 раз».

Данные с установки ПРИЗМА были мгновенно перепроверены и подтверждены коллегами из Института земного магнетизма и ионосферы (ИЗМИРАН) в Троицке.

В создании и модернизации установки участвовали ученые и студенты МИФИ: Егор Моргунов, магистрант, разработал ключевую электронику, которая питает детекторы и преобразует их сигналы; Иван Шульженко, кандидат физико-математических наук, создал систему, которая позволяет установке работать в двух, казалось бы, несовместимых режимах; и Анна Дмитриева, кандидат физико-математических наук, провела сложнейшее компьютерное моделирование, чтобы предсказать поведение частиц в детекторе.

ПРИЗМА не только дополняет мировую сеть мониторинга космической погоды, но и открывает новые возможности для студентов. Установка генерирует огромный объем данных, который станет основой для будущих курсовых, дипломных и диссертационных работ.

«Солнце постоянно подкидывает сюрпризы, и мы приглашаем к сотрудничеству всех, кому интересен современный физический эксперимент»,— заключил Дмитрий Громушкин.

Подробнее о разработке можно прочитать в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, в статье, вышедшей в июле 2025 года.

Семен Хохлов, кандидат физико-математических наук, доцент научно-образовательного центра НЕВОД Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— В чем уникальность установки ПРИЗМА и какие два режима работы она совмещает?

— Установка ПРИЗМА состоит из 36 детекторов, способных регистрировать и различать заряженные частицы и тепловые нейтроны. Установка предназначена для наземной регистрации космических протонов и ядер высоких энергий и измерения фонового потока тепловых нейтронов.

— Какой редкий феномен Солнца удалось зафиксировать с ее помощью и почему это событие уникально?

— Произошедшая 11 ноября вспышка на Солнце привела к аномальному ускорению частиц, которые смогли пробить естественную защиту в виде магнитного поля нашей планеты и достигли поверхности Земли. В итоге примерно на 30 минут по всей планете подскочил уровень радиации. За всю историю наблюдения подобные явления наблюдались менее 80 раз и получили название Ground Level Enhancement.

— Какой принцип лежит в основе детектирования нейтронов и какая инженерная модернизация это позволила?

— В качестве основного чувствительного материала детекторов используются гранулы сульфида цинка, активированного ионами серебра. Внутрь гранул добавлен изотоп лития-6, распадающийся при реакции с нейтроном на осколки. Гранулы сульфида цинка являются сцинтиллятором, то есть способны светиться при прохождении заряженных частиц. Образующийся в результате реакции свет регистрируется с помощью фотоприемника. Реализация двух режимов стала возможна после замены электроники и программного обеспечения установки.

— Какое практическое значение имеет мониторинг космической погоды с помощью таких установок, как ПРИЗМА?

— Мониторинг космической погоды необходим для изучения и прогнозирования потенциально опасных явлений, способных нанести ущерб космическим аппаратам, системам связи, энергосетям. Кроме того, солнечные события могут оказывать негативный эффект на жизнь и здоровье человека.

— Какой вклад в создание установки внесли молодые ученые и студенты?

— Студенты и аспиранты научно-образовательного центра НЕВОД НИЯУ МИФИ участвовали в разработке и тестировании отдельных узлов электроники, проводили настройку спектрометрических трактов, собирали детекторы. После начала измерительной серии молодые сотрудники участвуют в анализе данных установки.

— Какие перспективы открывает ПРИЗМА для будущих исследований и международного сотрудничества?

— Исследования широких атмосферных ливней с помощью установки ПРИЗМА позволят проводить проверку моделей адронных взаимодействий при энергиях, недоступных ускорителям частиц.

Регистрация фонового потока нейтронов открывает возможность для исследований солнечно-земных связей, процессов молниевых разрядов и тектоники литосферных плит.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки