Лабораторная работа №6. Космическое излучение

Часть 2. Определение среднего времени жизни покоящихся мюонов по угловому распределению жесткой компоненты космических лучей

Цель работы: освоение методики измерений времени жизни мюонов с помощью телескопа, построенного на базе счетчиков Гейгера - Мюллера, подключенных по схеме двойных совпадений; определение среднего времени жизни мюонов по угловому распределению жесткой компоненты космических лучей.

Приборы и принадлежности: установка для регистрации космического излучения; счетчик импульсов, таймер.

Введение

Существование проникающего излучения внеземного происхождения было открыто австрийским физиком Виктором Гессом в 1912 г. практически случайно. Ученый изучал ионизацию в газе, находящемся в закрытом сосуде. Предполагалось, что основная ионизация происходит от радиоактивного излучения земной поверхности. Но при подъеме регистрирующей аппаратуры при помощи аэростата он обнаружил, что скорость ионизации на высоте 5 км возросла в несколько раз по сравнению с уровнем моря. Открытие было интерпретировано так: из Космоса приходит излучение, легко проникающее через атмосферу и стенки сосуда и ионизирующее газ. Это излучение позднее было названо космическими лучами.

В дальнейшем было показано, что космические лучи – это атомные ядра, приходящие равномерно со всех направлений (изотропно) из окружающего Землю пространства. Основной особенностью этого излучения, не нашедшей пока однозначного объяснения, является степенное распределение частиц по энергии I(E) ~ E^-, простирающееся на много порядков по энергии - от 10⁶ до 10²¹ эВ. Удалось установить, что, скорее всего, до энергии ~10¹⁸ эВ космические лучи имеют в основном Галактическое происхождение, а при большей энергии начинают преобладать космические лучи, приходящие на Землю из других галактик. Кроме того, оцененная плотность энергии космических лучей в Галактике оказалась очень большой ~1 эВ/см³, что сравнимо с плотностью суммарного электромагнитного излучения звезд в Галактике, энергией теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений и с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Это позволяет считать космические лучи важнейшей составляющей межзвездной среды Галактики, а установление источников космических лучей и изучение процессов распространения их до Земли - одной из важнейших задач астрофизики.

Именно, исходя из энергетического баланса Галактики, были сделаны первые попытки объяснения происхождения галактических космических лучей. Такими наиболее вероятными объектами последние годы считают вспышки Сверхновых, вероятно, самые мощные источники энергии в нашей Галактике. Но, несмотря на длительную историю изучения галактических космических лучей, их происхождение, особенно в области высоких энергий, остается загадкой. Какие объекты и как ускоряют космические лучи до энергий, на много порядков превышающих энергии, которые могут получить частицы в недрах звезд? Существует ли единый механизм формирования потоков частиц или несколько различных механизмов, действующих в разных областях энергий? При каких энергиях начинают преобладать космические лучи внегалактического происхождения? Существует множество гипотез для объяснения всего комплекса наблюдательных данных по галактическим космическим лучам, однако общая картина остается очень неясной и во многом противоречивой.

Отчасти нерешенность проблемы происхождения галактических космических лучей связана с тем, что эти частицы обладают электрическим зарядом и распространяются от источников до места регистрации не по прямой линии, а меняя свое первоначальное направление, отклоняясь в магнитных полях Земли, Солнца, Галактики. Поэтому мы не можем регистрировать в околоземном пространстве галактических космических лучей низких энергий – они отражены магнитными полями Земли. Но и источник высокоэнергичных галактических космических лучей тоже не удается «увидеть» как мы видим звезду, первоначальное направление искажено магнитными полями Галактики.

После анализа данных с самого мощного в настоящее время гамма–телескопа Н.Е.S.S стало ясно, что проблема происхождения космических лучей еще более интересна, чем предполагалось. Например, в гамма–астрономии не видят источников высокоэнергичных (>1 ТэВ) гамма–квантов от всех близких остатков сверхновых, а лишь от небольшой части, причем источники гамма-квантов МэВ-ных (1 МэВ=10⁶ эВ) и Тэв-ных энергий не совпадают (хотя спектр ГКЛ степенной и непрерывный), и разнообразие источников оказалось очень большим. Остается добавить, что было обнаружено несколько не идентифицированных источников гамма–квантов очень высокой энергии, в том числе и в нашей Галактике. Были обнаружены протяженные источники, находящиеся в направлении на центр Галактики, которые излучают высокоэнергичные гамма–кванты и не видны ни в оптическом свете, ни в рентгеновском диапазоне, авторы назвали их «темными ускорителями». Все это не очень укладывается в схему, что только сверхновые являются основными ускорителями космических лучей в Галактике.

Очень может быть, что загадка происхождения космических лучей потому и остается загадкой, что мы, как выяснилось в последние 10 лет, практически ничего не знаем об основных составляющих материи и энергии во Вселенной (темная материя и темная энергия). В нашей Галактике также масса темной материи во много раз превосходит известную материю.