Галактические космические лучи - Галактические космические лучи

КЛ используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические частицы являются единственным средством изучения ядерных процессов. Для изучения взаимодействий КЛ высоких энергий ( E?1015 эВ) с веществом используются ионизационные калориметры. Эти приборы, впервые предложенные Н. Л. Григоровым с сотрудниками, представляют собой несколько рядов детекторов - ионизационных камер или сцинтилляционных счетчиков, между которыми расположен поглотитель из свинца или железа. На верхней части калориметра помещается мишень из легкого вещества - углерода или алюминия. Частица, падающая на поверхность ионизационного калориметра, взаимодействует с ядром мишени, образуя вторичные частицы. Их число сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения, и затем постепенно убывает по мере продвижения в тело калориметра. Детекторы измеряют ионизацию под каждым слоем поглотителя. По кривой зависимости степени ионизации от номера слоя можно определить энергию попавшей в калориметр частицы. Этими приборами впервые в мире был измерен спектр первичных КЛ в диапазоне энергий от ~1011 до ~1014 эВ. КЛ в диапазоне энергий 1011<E<3-1015 эВ имеют галактическое происхождение, их энергетический спектр можно описать степенным законом J(E)=J0 E-2,75.

Для изучения характеристик ядерных взаимодействий КЛ очень больших энергий необходимы установки с большой площадью регистрации, так как поток высокоэнергичных частиц крайне мал. Их называют рентгеновскими камерами. Это приборы с площадью поверхности до нескольких сотен квадратных метров, состоящие из рядов рентгеновских пленок, перемежающихся слоями свинца. В результате взаимодействия КЛ с частицами воздуха образуются мезоны, часть из которых затем размножается в свинце, оставляя пятна на рентгеновской пленке. По числу и величине этих пятен, плотности их потемнения и по расположению в разных слоях определяется энергия взаимодействующей частицы и направление ее прихода.

схема ливня частиц, падающего на установку под углом и к вертикали

Рис. 2. Схема ливня частиц, падающего на установку под углом и к вертикали

Для изучения КЛ с энергиями выше 1014 эВ используется свойство частиц высоких энергий создавать очень много вторичных частиц, в основном протонов и пионов, в результате взаимодействия первичной частицы с ядрами атомов в атмосфере. Обладающие достаточно высокой энергией протоны и пионы в свою очередь являются ядерно-активными частицами и вновь взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. Как заряженные ( р±), так и нейтральные ( р0) пионы - это нестабильные частицы со временем жизни t?10-16 с для покоящегося р0 и t?2,6-10-8 с для покоящихся р±. Пионы сравнительно малых энергий не успевают вступить во взаимодействие с ядром атома воздуха и могут распасться на г-кванты, положительные и отрицательные мюоны ( м±), нейтрино ( н) и антинейтрино (н-): р0> г + г ; р±> м± + н +н-. Мюоны также являются нестабильными частицами со временем жизни для покоящегося мюона t?2,2-10-6 с и распадаются по схеме м±> e± + н + н-. Гамма-кванты и электроны (позитроны) за счет электромагнитного взаимодействия с атомами воздуха дают новые гамма-кванты и электроны. Таким образом в атмосфере образуется каскад частиц, состоящий из протонов, нейтронов и пионов (ядерный каскад), электронов (позитронов) и г-квантов (электромагнитный каскад). Впервые ливни наблюдал Д. В. Скобельцын в конце 20-х годов.

Каскады в атмосфере, вызываемые частицами больших энергий и занимающие обширные площади, получили название широких атмосферных ливней. Они были открыты французским физиком П. Оже и его сотрудниками в 1938 году. Высокоэнергичная космическая частица образует ливень с огромным числом вторичных частиц, так, например, частица с E=1016 эВ в результате взаимодействий с атомами воздуха вблизи поверхности Земли порождает примерно 10 млн вторичных частиц, распределенных на большой площади.

Хотя поток высокоэнергичных КЛ, падающих на границу земной атмосферы, крайне мал, широкие атмосферные ливни занимают значительные площади и могут быть зарегистрированы с высокой эффективностью. Для этой цели на поверхности земли размещаются детекторы частиц на площади в десятки квадратных километров, причем регистрируются только те события, в которых срабатывает сразу несколько детекторов. Широкий атмосферный ливень можно упрощенно представить в виде диска частиц, движущегося в атмосфере. На рис. 2 показано, как такой диск частиц широкого атмосферного ливня падает на детекторы регистрирующей установки. В зависимости от энергии космической частицы размер диска (поперечный размер ливня) может составлять от нескольких десятков метров до километра, а его толщина (продольный размер или фронт ливня) - десятки сантиметров. Частицы в ливне движутся со скоростью, близкой к скорости света. Число частиц в ливне существенно уменьшается при переходе от центра диска к его периферии. Поперечный размер широкого атмосферного ливня и число частиц в нем увеличивается с ростом энергии первичной частицы, которая образует этот ливень. Самые большие наблюдаемые на сегодняшний день ливни от первичных частиц с E?1020 эВ содержат несколько миллиардов вторичных частиц. Измеряя многими детекторами пространственное распределение частиц в ливне, можно найти их полное число и определить энергию первичной частицы, которая данный ливень образовала. Поток частиц с энергиями E?1020 эВ очень мал. Например, на 1 м2 на границе атмосферы за 1 млн лет падает лишь одна частица с E?1019 эВ. Для регистрации столь малых потоков необходимо иметь большие площади, покрытые детекторами, чтобы зарегистрировать достаточное количество событий за разумное время. На гигантских установках по регистрации широких атмосферных ливней было "поймано" несколько частиц, имеющих энергии свыше 1020 эВ (максимальная зарегистрированная в настоящее время энергия частицы равна ~3-1020 эВ).

Существуют ли КЛ более высоких энергий? В 1966 году Г. Т. Зацепин, В. А. Кузьмин и американский физик К. Грейзен высказали предположение, что спектр КЛ при энергиях E>3-1019 эВ должен обрезаться из-за взаимодействия высокоэнергичных частиц с реликтовым излучением Вселенной. Регистрация нескольких событий с энергией E?1020 эВ может быть объяснена, если предположить, что источники этих частиц удалены от нас на расстояния не более 50 Мпк. В этом случае взаимодействий КЛ с фотонами реликтового излучения практически не будет из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю.

В области высоких энергий КЛ наблюдается несколько особенностей.

    1) Спектр КЛ испытывает излом при E?1015 эВ. Показатель наклона спектра КЛ до излома г?2,75, для частиц больших энергий спектр становится круче, г?3,0. Эта важная особенность в спектре КЛ была открыта С. Н. Верновым и Г. Б. Христиансеном при изучении спектра широких атмосферных линий. Наблюдаемый излом в спектре при таких больших энергиях может быть вызван более быстрым выходом КЛ из нашей Галактики по сравнению с частицами меньших энергий или может быть обусловлен изменением природы их источников. Возможно также изменение химического состава КЛ в области излома. 2) При энергии частиц E?1018 эВ спектр КЛ становится еще круче, г?3,3. Это вызвано, по-видимому, тем фактом, что в данном диапазоне энергий КЛ преимущественно метагалактического происхождения, их спектр имеет другой наклон. 3) Спектр частиц с E>1019 эВ становится более пологим, г?3,3. Этот эффект вызван взаимодействием КЛ, имеющих энергии E>1019 эВ, с реликтовыми фотонами, в процессе которого КЛ теряют часть своей энергии и переходят в область меньших энергий, что делает спектр частиц более пологим. 4) Спектр КЛ с энергиями свыше 1020 эВ может быть получен лишь после длительных наблюдений, когда будет зарегистрировано достаточное количество событий с такими экстремальными энергиями. Для того чтобы существенно увеличить число случаев регистрации широких атмосферных ливней от частиц с энергиями E>1019 эВ, в ближайшие годы планируется построить три гигантские установки с детекторами, размещенными на площади более 1000 км2. С их помощью ученые надеются получить ответ на вопрос о спектре КЛ в области сверхвысоких энергий и о максимально возможной энергии космических частиц.

КЛ сверхвысоких энергий будут удерживаться в Галактике ее магнитными полями, если радиус кривизны траектории частицы много меньше размеров Галактики. Используя соотношение между энергией частицы (E, эВ), ее радиусом кривизны ( r?1022 см - размер Галактики) и напряженностью магнитного поля ( H?10-6 Э), E= 300Hr, получим максимальную энергию КЛ, которые могут удерживаться в нашей Галактике: EMax?1018 эВ.

Похожие статьи




Галактические космические лучи - Галактические космические лучи

Предыдущая | Следующая