Первичное космическое излучение

Как уже упоминалось, космические лучи представляют собой потоки ядер атомов, в основном протонов, рожденных и ускоренных в объектах космического пространства. Интенсивность космического излучения в период минимума солнечной активности составляет J~0,23 см⁻² с⁻¹ ср⁻¹.

Энергия космических частиц заключена в широком диапазоне от 10⁹ до 10²¹ эВ. Важнейшими характеристиками космического излучения являются его химический состав и энергетический спектр.

Состав первичного космического излучения. Изучение состава первичных космических лучей проводилось с помощью фотоэмульсий, сцинтилляционных и черенковских детекторов, установленных на самолетах и шарах-зондах, на спутниках и автоматических космических станциях. Оказалось, что первичное излучение состоит на 90% из протонов, 7% приходится на альфа-частицы и 3% на долю ядер с Z > 2.

Знание химического состава первичного излучения необходимо для решения вопроса о происхождении космических лучей. Космические лучи - это составная часть нашей Вселенной, и поэтому их химический состав должен соответствовать распространенности элементов во Вселенной. Любые аномалии в составе могут служить указанием на особенности рождения и распространения космических лучей в межзвездном пространстве.

Таблица 5.1. Химический состав первичного космического излучения
Группа ядер	Z	Интенсивность м-2 с-1 ср-1
Р	1	1300±100
	2	94±4
L	3-5	2,0±0,3
М	6-9	6,7±0,3
Н	10	2,0±0,3
VH	20	0,5±0,2

В космических лучах при исследовании поведения химического состава принято объединять ядра в определенные группы в зависимости от величины заряда Z. В таблице 5.1 приведены интенсивности различных групп ядер для энергии свыше 2,5 ТэВ/нуклон. В группу Р входят протоны, дейтоны и ядра трития, а группу составляют ядра гелия. Группа L (легкие ядра) объединяет ядра лития (Li), бериллия (Be) и бора (В); группа М (средние ядра) состоит из ядер углерода (С), кислорода (О), азота (N) и фтора (F). Группу тяжелых ядер (Н) образуют ядра с Z > 10 и группу сверхтяжелых (VH) - ядра с Z > 20.

Рис. 5.. Химический состав космических лучей. 1 - Галактика; 2 - космические лучи (нормировано по содержанию водорода).

Исследования, проведенные в последние годы на спутниках и на Луне, показали, что химический состав первичного космического излучения очень слабо меняется с энергией: доля ядер группы L и ядер с зарядом 17 < Z < 25 уменьшается с ростом энергии (при энергиях порядка нескольких ГэВ/нуклон).

Сравнение распространенности элементов в космических лучах и во Вселенной системе (см. рис. 5.1) выявляет, во-первых, избыток тяжелых ядер в космических лучах, что, возможно, связано с более эффективными процессами их образования. Во-вторых, в космических лучах наблюдается значительный избыток ядер группы L (Li, Be, В) - ядер весьма редких во Вселенной. Соотношение в первичном излучении числа ядер групп L и М составляет N_L/N_М = 0,30, что в 10⁶ раз больше соотношения этих групп ядер в природе.

Т акой избыток ядер группы L в космическом излучении связан с тем, что при движении к Земле тяжелые ядра взаимодействуют с межзвездным веществом, расщепляются (фрагментируют) на более легкие ядра. Сопоставление соотношения N_L/N_М в космических лучах с вероятностью фрагментации тяжелых ядер позволяет оценить возраст космических лучей (время их блуждания в космическом пространстве) - оно составляет 10⁷-10⁸ лет. Траектории частиц космических лучей вследствие их соударений с межзвездным газом и отклонением заряженных частиц магнитными полями, имеющимися в Галактике, не прямолинейные, а скорее, имеют характер броуновского движения (рис. 5.2). При таком движении происходит интенсивное перемешивание частиц различных источников и достигается наблюдаемая на опыте независимость потока первичных космических лучей от угла их падения на Землю. При этом оказывается, что космические лучи встречают на своем пути в межзвездной среде около 5 г межзвездного газа. Энергия частиц первичных космических лучей на границе атмосферы Земли весьма высокая, она превышает 10¹⁰ эВ. Это означает, что, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, до Земли способны дойти частицы, образованные даже в самых отдаленных от нас участках нашей Галактики.

Рис. 5.3.Космические лучи заполняют протяженное Гало Галактики, хотя основные объекты, способные ускорять космические лучи, находятся в дисковой составляющей Галактики

Важным обстоятельством является присутствие в первичных космических лучах небольшого числа электронов (их доля около 1%). Попадая в межзвездные магнитные поля, электроны испускают так называемое синхротронное излучение в результате своего движения вокруг силовых линий магнитного поля под действием силы Лоренца. Такое излучение регистрируется в радиодиапазоне. В итоге радиоастрономических исследований разных участков Галактики установлено, что первичные космические лучи практически равномерно заполняют всю Галактику и область галактического гало (рис. 5.3).

Энергетический спектр первичного космического излучения.

Как уже упоминалось, диапазон энергий частиц, зарегистрированных в космических лучах, весьма велик: от 10⁹ до 10²¹ эВ. Разнообразны и методы исследования зависимости интенсивности J космических лучей от их энергии E₀ . Это и методы, использующие геомагнитные эффекты (энергии до десятков ГэВ), и ионизационные калориметры, установленные на спутниках (интервал энергий от 10 до 10⁶ Гэв); и изучение черенковской вспышки от частиц, идущих в составе, так называемых, широких атмосферных ливней (энергии 10⁶-10¹² ГэВ).

Рис. 5.4. Спектр космических лучей в двойном логарифмическом масштабе

На рис. 5.4. показано распределение частиц первичных космических лучей по энергии - энергетический спектр. В очень широком интервале энергий (от 10¹⁰ до 2·10¹⁵ эВ) наблюдается степенная зависимость их от энергии с постоянным показателем степени =2,7. В интервале энергий (1-3)∙10¹⁵ эВ наблюдается изменение наклона спектра до значений = 3,2. «Излом» в энергетическом спектре был открыт сотрудниками НИИЯФ МГУ (Г.Б. Христиансен, Г.В. Куликов, 1958 г.) при анализе спектра широких атмосферных ливней (ШАЛ). Впоследствии каждая вновь создаваемая установка ШАЛ (а их созданы десятки и на всех континентах) начинала свою работу с экспериментального подтверждения этого феномена, который принято называть «коленом». По мере развития методики ШАЛ и накопления статистического материала «анатомия» спектра космических лучей с тех пор значительно уточнилась: оказалось, что при энергии ~10¹⁷  10¹⁸ наблюдается некоторое «укручение» спектра, а затем его «уположение». Эта особенность спектра была названа «лодыжкой» (все эти особенности лучше видны, если интенсивность спектра космических лучей умножить на множитель Е^2,5). На рис. 5.5 собраны экспериментальные данные по исследованию спектра космических лучей в области энергий 10¹¹ – 10²¹ эВ. При некоторой фантазии можно отметить, что форма энергетического спектра космических лучей действительно напоминает ногу человека.

Рис. 5.5. Если умножить спектр космических лучей на E^2,5, то при некоторой фантазии он действительно напоминает ногу человека, а точка в районе 3 10¹⁵ эВ – колено. На рисунке также приведены названия экспериментов, в которых получены экспериментальные значения

Экспериментальная проверка факта излома энергетического спектра космических лучей с ~Е^-2,7 на ~Е^-3,1 была произведена многократно, поэтому достаточно быстро факт существования «колена» в спектре космических лучей был признанно бесспорным, и этот факт немедленно потребовал своего объяснения. Возможности провести прямое изучение галактических космических лучей за пределами атмосферы в интересующем диапазоне энергий (10¹⁵10¹⁶ эВ) у исследователей не было, и пока нет – слишком дорого и методически трудно. Поэтому поиск решения последние почти 50 лет происходит на наземных установках «косвенной» методикой ШАЛ.

На сегодняшний день создано множество моделей физической интерпретации факта «колена», но ни одна из них не предоставляет убедительных экспериментальных доказательств. Все существующие модели можно условно разделить на две группы: «ядерно-физическая» и «астрофизическая».

В «ядерно-физической» группе моделей отвергается наличие излома в энергетическом спектре галактических космических лучей. Экспериментальный результат изменения интенсивности потока галактических космических лучей объясняется принципиальным изменением характера ядерного взаимодействия при этих энергиях. Это наиболее ранняя и, пожалуй, наиболее радикальная интерпретация феномена «колена». Предлагались либо радикальные изменения известных механизмов рождения элементарных частиц, либо механизмы рождения новых экзотических элементарных частиц. Однако достоверных доказательств этих утверждений пока не нашли.

Сторонников «ядерно-физической» группы моделей становилось все меньше по мере развития ускорительной физики высоких энергий. В настоящее время ученые научились разгонять на огромных кольцевых магнитах, длиной до 30 км, частицы до энергий 10¹² эВ (лаборатория Э.Ферми, США). Наиболее действенно использование ускорителей-коллайдеров на встречных пучках, когда в кольце ускорителя разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях, и затем эти пучки направляются в лобовое столкновение друг с другом. Взаимодействие встречных пучков с энергией около 10¹² эВ соответствует взаимодействию в лабораторной системе отсчета при энергиях 210¹⁵ эВ. Такой коллайдер функционирует в течение нескольких последних лет, но эффектов, которые могли объяснить «колено» космических лучей, пока не наблюдается. Принципиальное изменение характера ядерного взаимодействия отодвинуто в область более высоких энергий. На стадии строительства находится новый гигантский ускоритель частиц нового поколения LHC в ЦЕРН – в Европейском центре ядерных исследований в Швейцарии. Ввод его в эксплуатацию позволит изучать ядерные процессы при энергиях 310¹⁷ эВ. Это позволяет надеяться, что гипотеза об изменении модели взаимодействия, как причине происхождения «колена», будет либо подтверждена, либо окончательно забыта.

В «астрофизической» группе моделей так же нет единства мнений о характере механизмов порождающих «колено» галактических космических лучей. Существует около 20 гипотез объяснения колена, из которых можно выделить три основные направления:

1. «Колено» в спектре галактических космических лучей отражает максимальную энергию протонов, до которой ускоряются космические лучи в основных источниках.

2. Диффузионные модели, в которых излом возникает как следствие распространения, т.е. по дороге от источников до Земли. При этом фоновый спектр галактических космических лучей, т.е. спектр в источниках, имеет чисто степенной вид с единым показателем ~2,5-2,9 во всем диапазоне до 10¹⁸ эВ.

3. Модель близкого источника, в которой в области колена доминируют частицы из сверхновой или пульсара, находящихся на «близком» расстоянии от Земли - в радиусе сотен парсек (1 парсек ~ 3,26 светового года), которые и определяют вид спектра в области «колена», в других частях Галактики спектр космических лучей в этой области энергий выглядит иначе.

Самые высокие зарегистрированные значения энергии частиц достигают 2∙10²⁰-10²¹ эВ. Регистрация частиц, обладающих столь высокой энергией, вызывает повышенный интерес, поскольку существуют доказательства в пользу того, что в космических лучах не должно быть частиц таких высоких энергий.