Посланники космоса: дальнего или ближнего?
Космические лучи ультравысокой энергии
// Природа, 2006, № 2.
Б.А. Хренов, М.И. Панасюк
Борис Аркадьевич Хренов, д.ф.-м.н., в.н.с. отдела частиц сверхвысоких энергий НИИЯФ МГУ.
Михаил Игоревич Панасюк, д.ф.-м.н., проф., дир. НИИЯФ МГУ, зав. каф. космических лучей и физики космоса физфака МГУ.
Феноменология космических лучей – тема, знакомая читателям журнала «Природа» [1]. Здесь мы уделим основное внимание космическим лучам ультравысокой энергии – современному состоянию их изучения и планам на будущее. Напомним только, что Вселенная заполнена как электромагнитным излучением, так и быстрыми частицами (их принято называть космическими лучами из-за дуальной природы частиц и волн), спектр которых представлен на рис. 1. Большую часть энергии космических излучений несут реликтовые фотоны – излучение, сохранившееся после Большого взрыва, с длиной волны 0.5 см (максимум спектра на рис. 1). Первоначально материя находилась в самом «элементарном» состоянии, и лишь при последующем остывании она перешла в более «сложные» формы, когда силы взаимодействия разделились на виды, известные нам из экспериментов по взаимодействию частиц. Исследования баланса скоростей и температуры отдельных частей Вселенной, проведенные в последние годы, показали, что основная материя и ее энергия все еще скрыты от наших наблюдений (темная материя, темная энергия). Это не мешает нам искать экспериментальные указания о природе Большого взрыва по доступным астрофизическим данным (макромир) и по данным об элементарных частицах (микромир).
 |
Рис.1. Спектр электромагнитного космического излучения и космических лучей. F – поток квантов или частиц, E – энергия кванта или частицы, l – длина волны. |
От оценок к измерениям
Как следует из рис.1, космические лучи могут иметь длину волны менее размера нуклона (10-13 см, энергия протонов более 1010 эВ). Первое указание на присутствие частиц столь высокой энергии в космических лучах получил в 1927 г. Д.В.Скобельцын *, наблюдая ливни вторичных частиц в камере Вильсона. По характеристикам взаимодействия частиц высокой энергии с ядрами вещества стало возможно изучение микромира нуклона. С помощью космических лучей удалось открыть нестабильные «элементарные» частицы мюоны и пионы, которые оказались лишь первыми в ряду частиц из микромира нуклона. В дальнейшем эксперименты с частицами, ускоренными в лаборатории, дали гораздо более подробные сведения: были открыты кварки и глюоны – «кирпичики», из которых составлены элементарные частицы.
* Именно он создал в СССР школу изучения космических лучей, достижения которой в значительной степени принадлежат НИИЯФ МГУ.
Однако и на лучших современных ускорителях все еще недостижимы энергии, наблюдаемые у самых высокоэнергетичных частиц космических лучей. К сожалению, использовать космические частицы для дальнейшего изучения «наномира» элементарных частиц не так-то просто. Во-первых, поток космических лучей столь высокой энергии исключительно мал (регистрируется в среднем 1 частица с энергией выше 1019 эВ на площади детектора 1 км2 за год работы), во-вторых, детектор подобных размеров не позволяет фиксировать те параметры взаимодействия, по которым можно судить о структуре частиц. И все-таки частицы космических лучей ультравысоких энергий дают фундаментальные сведения о наномире частиц даже одним своим появлением: изучая их энергетический спектр, направление, откуда они приходят, и, по возможности, состав первичных частиц (сколько среди них ядер, нуклонов, g-квантов, нейтрино), мы можем получить информацию о состоянии Вселенной на стадии самых высоких температур, когда вещество было более «элементарным», чем сегодня. Полная энергия потока таких частиц очень мала (на много порядков меньше, чем энергия реликтовых фотонов), но в то же время Природа дает нам шанс по следу столь редких, но приобретших колоссальную «индивидуальную» энергию частиц изучать специальные, возможно самые энергичные космические объекты.
| Рис. 2. Энергетический спектр космических лучей по данным разных установок. Результаты в области энергий E > 1015 эВ получены методом изучения ШАЛ (обзор []). Данные «Обсерватории Пьер Оже» 2005 г. (цветные кружки) заставляют усомниться в достоверности калибровки предыдущих измерений по энергии первичной частицы. |
 |
Воспользоваться этим шансом стало реальным после 1938 г., когда П.Оже и Р.Маз с помощью детекторов, раздвинутых на расстояние до 100 м, зарегистрировали ливни частиц уже не в лаборатории, а непосредственно в атмосфере. Оценка энергии первичной частицы, которая могла бы создать такие ливни за счет каскада взаимодействий с ядрами атомов, дала величину ~1015 эВ. Сигнал от подобной первичной частицы появляется в пятне с диаметром в сотни и более метров, благодаря чему удается регистрировать космические лучи высокой энергии по ливням из вторичных частиц в атмосфере (их в дальнейшем стали называть широкими атмосферными ливнями – ШАЛ) на больших площадях. Измерения в СССР (1949) частоты сигналов от детекторов, раздвинутых до 1 км, дали первые оценки интенсивности космических лучей с энергией выше 1018 эВ. Развитие метода ШАЛ позволило провести измерения энергетического спектра космических лучей в широком диапазоне энергий от 1014 до 1019 эВ. На рис. 2 данный спектр представлен так, как он был суммирован М.Нагано и А.Ватсоном в 2001 г. [2]; его главная особенность – изменение при энергии 3·1015 эВ степенного закона, который хорошо аппроксимирует данные на отдельных участках спектра. Этот излом спектра был открыт Г.Б.Христиансеном и Г.В.Куликовым еще в 1958 г. [3], но потребовались годы, чтобы доказать [4] достоверность результата. Необходимые доказательства были получены на установке НИИЯФ МГУ для изучения ШАЛ, расположенной на территории университета (с сцинтилляционными датчиками и газоразрядными трубками в качестве детекторов частиц ШАЛ; доступная для регистрации энергия первичных частиц лежала в интервале 1015-3·1017 эВ). Дело в том, что для измерений методом ШАЛ необходимо откалибровать меру энергии первичной частицы. На установке, где детекторы частиц расположены на площади 0.5 км2 с шагом на местности * 50-200 м, такой мерой было число заряженных частиц в ливне (в основном электронов), и связь между первичной энергией и числом частиц ШАЛ устанавливалась расчетным путем – моделировался процесс развития ШАЛ. Искомая связь, естественно, зависит от принятой модели взаимодействия нуклонов и ядер, порождающего вторичные адроны (частицы, способные к сильным взаимодействиям), и на первых порах она содержала неопределенность, так как не было экспериментальных данных об адронных взаимодействиях при энергиях ШАЛ. В 70-80-е годы такие данные появились, и модель взаимодействия адронов была проверена в ускорительных экспериментах (модель кварк-глюонных струн). Развитие ШАЛ на основе этой модели было детально рассчитано в работах Н.Н.Калмыкова. Кроме того, интенсивность частиц космических лучей при энергии 1014-1015 эВ была измерена непосредственно вне атмосферы с помощью ионизационного калориметра, созданного в НИИЯФ под руководством Н.Л.Григорова и запущенного на орбиту спутника Земли ракетой «Протон» в 1966 г. Данные прибора подтвердили оценки энергии, полученные в современных расчетах ШАЛ, и теперь можно уверенно утверждать, что излом спектра при энергии 3·1015 эВ зарегистрирован с высокой точностью.
* Расстояние между детекторами выбирается немного меньше радиуса ливня, чтобы был зарегистрирован основной поток частиц.
На вершине энергий
Для измерения спектра ШАЛ со значительно большими энергиями, которые встречаются, как было сказано выше, исключительно редко, необходимо строить установки с рабочей площадью в десятки и сотни квадратных километров. Строительство установок с большим числом детекторов на расстоянии порядка 100 м друг от друга встречает значительные технические и финансовые трудности. Реально увеличение рабочей площади достигается двумя способами: или детекторы раздвигаются (тогда можно сократить число детекторов на площади установки), или переходят к другому принципу регистрации – измерению не потока частиц, а флуоресценции в атмосфере, вызываемой основным потоком электронов ШАЛ. Во втором случае можно одним детектором «видеть» ливни с расстояний до десятков километров.
