Освоение Тункинского полигона c целью изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ) началось в 1993 г. Л.А. Кузьмичев, работавший в то время на байкальской нейтринной станции, пришел к выводу, что для анализа свойств Байкальского нейтринного телескопа полезно будет использовать мюоны, идущие в ШАЛ. Однако время наладочных работ на льду Байкала было всегда очень ограничено – всего один месяц - март, когда лед достаточно прочный. Времени на одновременную наладку отдельной установки для регистрации ШАЛ катастрофически не хватало. Но тут освободился от прежних экспериментов радиополигон НИИПФ Иркутского государственного университета. Наличие налаженной инфраструктуры и специалистов по радиоэлектронике позволило быстро поставить на полигоне первую установку, состоявшую всего из 4-х детекторов атмосферного черенковского света. Уникальные оптические приборы гибридные фотоприемники КВАЗАР-370 диаметром 37 см и дополнительные технические усилия по увеличению их чувствительности позволили достичь рекордно низкого энергетического порога, и в 1995 г. получить первые интересные результаты по спектру космических лучей в районе излома этого спектра, доложенные на Международной конференции по космическим лучам в Риме.
В 1999 г. установка была расширена до 13 детекторов, а в 2000 – 2003 гг. данные набирались уже установкой из 25 детекторов. Параллельно был проведен калибровочный эксперимент QUEST в Италии. Эксперимент состоял в одновременной работе и взаимной калибровке Итальянской установки EAS-TOP и российской установки для регистрации черенковского света из 5 детекторов КВАЗАР-370. Опираясь на результаты этого эксперимента, удалось достичь точности оценки энергии ШАЛ лучше 10%, причем, независимо от предполагаемых моделей взаимодействия первичных частиц.
Стало понятно, что ключ к пониманию происхождения излома в первичном спектре лежит при энергиях в несколько раз больше, чем энергия самого излома. Встал вопрос о дальнейшем увеличении площади установки. Был создан проект новой установки, в 2006 – 2009 гг. решены многие технические проблемы, и в 2009 г. торжественно запущена для набора данных новая установка, состоящая из 133 детекторов, расположенных на площади около 1 кв. км.
Установка вобрала в себя последние достижения электроники такие, как оптоволоконные линии передачи данных, сверхбыстрые преобразователи амплитуды в код, перепрограммируемые логические матрицы. В результате не только количество, но и качество получаемых данных резко улучшилось. Теперь в каждом детекторе регистрируется не интегральное количество света, а временная развертка импульса с шагом 5 нс. Это позволило резко улучшить методику обработки данных и использовать такие параметры импульсов, как пиковое значение и длительность.
Рис.1. Тунка-133. План расположения детекторов установки в излучине реки Иркут
Установка предназначена для изучения спектра и состава космических лучей в так называемой переходной области энергий 1016 – 1018 эВ. Считается, что в этой области происходит переход от космических частиц, ускоренных в нашей Галактике, к более энергичным космическим лучам от других существенно более активных галактик. Точная граничная энергия этого перехода все еще до конца не ясна и является одной из проблем, которую должна решить установка Тунка-133.
Установка уникальна тем, что это единственная в мире большая стационарная наземная установка, где ШАЛ регистрируются и их параметры определяются исключительно по черенковскому свету, испускаемому частицами ливня на всем его пути в атмосфере. Суммарный поток света практически пропорционален полной энергии первичной космической частицы, попавшей в атмосферу и вызвавшей ливень вторичных частиц. Это позволяет использовать атмосферу Земли в качестве гигантского калориметра и оценивать энергию независимо от предполагаемых деталей взаимодействия первичной частицы с ядрами атомов, составляющих молекулы, входящие в состав воздуха.
Для увеличения статистики в области самых больших энергий в 2011 г. установка была дополнена 6-ью кластерами по 7 детекторов в каждом на расстоянии около 1 км от центра, что позволило надежно контролировать эффективную площадь около 3 кв. км.
За 4 года работы установка проработала в ясные безлунные ночи около 1300 часов и зарегистрировала около 8 млн. событий. Обычно при анализе данных ШАЛ 90% этих событий не включаются в анализ, т.к. они относятся к пороговой области энергии и имеют недостаточно высокую вероятность регистрации. Энергетический спектр для событий с вероятностью регистрации близкой к 100% показан на рис.2.
Рис.2. Дифференциальный энергетический спектр, полученный за 3 года наблюдений (980 часов)
Сравнение с данными других установок показывает, что спектры установки Тунка-133 и Германско-Итальянской установки КАСКАДЕ-Гранде фактически перекинули мост между небольшими и Гигантскими установками. Точная форма спектра оказалась далекой от предполагавшегося ранее степенного вида и лучше всего объясняется ускорением различных ядер от протонов до железа ударными волнами от взрывов сверхновых звезд различных типов. Предельная энергия ускорения пропорциональна заряду ядра, поэтому с ростом энергии в составе космических лучей становится все меньше легких и все больше тяжелых элементов, что подтверждается изменением распределения событий по глубине максимума развития ШАЛ в атмосфере. Изменение среднего логарифма массы первичных ядер с энергией, полученное из анализа распределений по глубине максимума, показано на рис.3.
Рис.3. Средний массовый состав космических лучей по данным о средней глубине максимума ШАЛ, полученный за первые 3 года наблюдений (980 часов)
Успехи установки Тунка-133 привлекли на тункинский полигон исследователей, искавших удобное место для проведения других астрофизических экспериментов. На полигоне был установлен автоматический оптический телескоп сети телескопов «МАСТЕР», радиоантенны для изучения возможности регистрации ШАЛ по радиоимпульсам, первые детекторы новой низкопороговой установки Тунка-HiSCORE, которая позволит регистрировать не только заряженные частицы космических лучей, но и энергичные гамма-кванты. И, наконец, на Тункинский полигон переехали детекторы установки КАСКАДЕ-Гранде, что позволит дополнить информацию о ливнях данными детекторов заряженных вторичных частиц – электронов и, что особенно ценно, мюонов. Таким образом, в Тункинской долине образовался крупный международный астрофизический центр.
В работах астрофизического центра принимают участие НИИЯФ МГУ, НИИПФ ИГУ, ИЯИ РАН, ИЗМИРАН, ГАИШ МГУ, а также зарубежные институты из Турина, Гамбурга, Карлсруэ, Цойтена и Мюнхена.
Структурные подразделения: