книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

сфере происходит вплоть до энергий 1 3 £ к р "о» г Де — геометрическая длина одного пробега относительно ядерного взаи­

развитие лавины будет происходить вплоть до энергий, соответ­ ствующих эффективному порогу рождения нуклон-антинуклонных пар при столкновении нуклон-ядро атома воздуха.

Электронно-фотонная лавина. Для э.-ф. лавкны основными про­ цессами диссипации энергии являются ионизационные потери для

меньше сечения образования электронно-позитронных пар. В силу

Таким образом, хотя основой развития лавины частиц в атмо­ сфере от первичной частицы сверхвысокой энергии является ядер­ ный каскад, основная масса ливневых частиц на данном уровне в атмосфере — электроны и фотоны. Поток мюонов и нейтрино в этой лавине является по величине промежуточным между потоком

Благодаря толстому слою земной атмосферы в нем происходят не только первичные взаимодействия космических лучей, но и воз­ никает возможность для развития каскадного процесса. Относи­ тельная разреженность атмосферы приводит к генерации продук­ тов распада пионов — потоков мюонов и нейтрино.

Разреженность атмосферы фактически является основной при­ чиной того, что ядерная и э.-ф. лавины образуют широкий ливень. Действительно, кулоновское рассеяние подавляющей части ливне­ вых частиц, электронов, имеющих среднюю энергию порядка Ещ,, происходит на пути их существования порядка одной лавинной единицы. Геометрическая длина одной лавинной единицы вблизи

20

хождение растет). Значительная часть частиц отходит на сущест­ венно большие расстояния от оси ливня.

Для пространственного расхождения ядерной лавины и потоков мюонов значительно более существенным, чем кулоновское рассея­

£

поперечного импульса, приобретаемого при рождении, на порядок больше, чем за счет кулоновского рассеяния.

В случае мюонов относительная роль кулоновского рассеяния несколько возрастает, так как путь существования мюонов значи­

Поперечный импульс, приобретаемый я°-мезонами, дающими начало э.-ф. лавинам, не играет существенной роли для простран­ ственного расхождения основной части электронов и фотонов, так как энергия последних значительно меньше, чем энергия порож­ дающих э.-ф. лавины я°-мезонов.

В некоторых специальных случаях оказывается существенным отклонение частиц в магнитном поле Земли. Для расхождения электронов, я.-а. частиц и мюонов влияние магнитного поля обыч­ но не очень существенно, хотя и создает небольшое нарушение аксиальной симметрии пространственного распределения ливневых

визны частиц с энергией Е в магнитном поле Н при угле 8 между вектором скорости частицы и вектором магнитного поля. Поэтому при очень больших L (в почти горизонтальных ш. а. л.) для мюо­ нов достаточно высоких энергий роль магнитного отклонения мо-

1 4 Плотность воздуха d вблизи уровня моря d = l,2-10~3 г/см3.

21

жет стать весьма существенной сравнительно с другими фактора­

ми рассеяния.

Прохождение через атмосферу большого числа заряженных ча­

ш. а. л., но несут дополнительную информацию о характере разви­ тия лавины частиц в атмосфере. Речь идет в первую очередь о черенковском излучении, ионизационном свечении и радиоизлуче­ нии ш. а. л.

Черенковское излучение частиц ш. а. л. возникает несмотря на большую разреженность атмосферы и очень малое отличие пока­ зателя преломления атмосферы от единицы. Показатель прелом­ ления в воздухе

уровнем моря. Черенковское излучение происходит за счет поля­

нижних слоях атмосферы будет наблюдаться от электронов с энер­ гией более 20 Мэв и от мюонов с энергией более 4 - Ю 9 эв. Если учесть относительное число мюонов и электронов в ливне, то ясно, что излучение будет происходить в основном за счет элек­ тронов.

Из-за большей разреженности атмосферы угол конуса черен­ ковского излучения оказывается достаточно малым. Этот угол определяется выражением

22

Полагая р1 = 1, получаем максимальное значение угла cos Qr =

Величина Qr оказывается значительно меньше угла, приобретае­ мого создающими излучение электронами с у—40 за счет много­ кратного кулоновского рассеяния, т. е. пространственное расхож­ дение черепковского излучения связано с кулоновским рассеянием инициирующих его электронов.

Черенковское излучение имеет достаточно большой световой выход в оптическом диапазоне, в результате чего возможна реги­ страция черенковского излучения даже от лавин, создаваемых пер­ вичными частицами с энергией ~10 1 2 эв. В оптическом диапазоне черенковское излучение слабо поглощается в чистой, безоблачной атмосфере. Это излучение несет в себе информацию о полной энер­ гии ш. а. л. и о всей истории развитияиндивидуального ш. а. л. в атмосфере.

Ионизационное свечение. При прохождении через атмосферу заряженные частицы испытывают так называемые ионизационные потери, которые 'приводят в конечном счете к ионизации и возбуж­ дению атомов и молекул среды (в первую очередь, азота). Воз­ бужденные молекулы азота высвечиваются с характерным време­ нем порядка 10~8 сек с излучением квантов в диапазоне длин волн 2500-=-4500 А°.

Конкурирующим процессом являются столкновения с молеку­ лами кислорода, сопровождающиеся безызлучательными перехо­ дами. Энергетический выход ионизационного свечения зависит от

1 + р/ю

тов ионизационного свечения на единицу геометрического пути заряженной частицы

— ионизационные потери на пути в 1 г/см2 воздуха, d — плот­ ность воздуха. Поскольку pud пропорциональны при больших р, число квантов ионизационного свечения на единицу пути не за­ висит от р при р^>10 г/см2.

Хотя полное число фотонов ионизационного свечения, возни­ кающих на протяжении всего развития ш. а. л., меньше числа фо­ тонов черенковского излучения, ионизационное свечение обладает одним существенным преимуществом — оно изотропно и поэтому

23

может попадать на очень большие расстояния от оси ливня, а его пространственное распределение совершенно не связано с энерге­ тическим спектром и угловым распределением ливневых частиц.

Ионизационное свечение так же, как и черенковское, несет информацию об истории развития индивидуального ливня и об его энергии, но с помощью ионизационного свечения эта информация может быть получена в принципе для ливней предельно высоких энергий, оси которых, как правило, существенно удалены от де­ тектирующего устройства.

Радиоизлучение. Большое число заряженных частиц в ш. а. л. приводит к существованию еще одного интересного явления — когерентного радиоизлучения, сопровождающего лавину частиц в атмосфере. В принципе излучение в радиодиапазоне можно ожи­ дать за счет следующих обычных процессов: радиационного тор­ можения электронов, диффузии и рассеяния б-электронов и обыч­ ного черенковского излучения. Однако определяющими являются процессы, принципиально связанные с 'когерентным излучением всей лавины заряженных ливневых частиц.

Благодаря кулоновскому рассеянию ш. а. л. в первом прибли­ жении можно уподобить плоскому диску радиуса R и толщиной d. Коллективное когерентное излучение всей лавины заряженных частиц происходит при условии, что длина волны К удовлетворяет неравенства

где 9 — угол (по отношению к оси ливня), под которым происхо­ дит наблюдение. В этом случае разность фаз излучения от раз­ личных участков ш. а. л. будет мала, и излучение отдельных участ­ ков можно рассматривать как синхронное. Амплитуды волн излу­ чения, как обычно при когерентном излучении, складываются.

Вдекаметровом диапазоне длин волн условия X~>d и

заряду процессов: аннигиляции позитронов, образования 6-электронов и комптон-

24

Глава 2

Классические методы регистрации широких атмосферных ливней

Широкое пространственное расхождение частиц ливня и боль­ шое их число определили методику обнаружения ш. а. л.

В первых работах французских физиков (Оже и Маз, 1938 г.) [10], впервые доказавших существование ш. а. л., для детектиро­ вания ливней была использована установка из двух счетчиков Гейгера — Мюллера, расположенных в горизонтальной плоскости на некотором расстоянии D друг от друга и включенных на сов­

шесть1 5 . Это позволило наблюдать ш. а. л. более высоких энергий при расстояния Д между группами счетчиков до 1 км.

Очевидно, что с помощью установок {10, 11] нельзя определить основные параметры каждого регистрируемого ливня на плоскости наблюдения (положение и наклон оси ливня, вид функции прост­ ранственного распределения ливневых частиц и полное число этих частиц), а можно оценить некоторые, довольно широкие диапа­ зоны расстояний, зенитных углов и числа частиц, к которым отно­ сились регистрируемые ливни. Поэтому в дальнейшем для детек­ тирования ш. а. л. использовались установки из большого числа детекторов заряженных частиц, разбросанных на площади наблю-

1 5 При увеличении кратности существенно уменьшается относительная роль слу­ чайных совпадений.

26

дения ливня и позволяющих определять плотность потока частиц индивидуального ливня одновременно в нескольких местах плос­

раметрах индивидуального регистрируемого ливня сразу на боль­ шом числе уровней наблюдения в атмосфере. Однако такая уста­ новка нереальна из-за ничтожно малой светосилы при разумных площадях ее отдельных частей.

§ 1. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ, НА КОТОРЫХ БАЗИРУЮТСЯ КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Перейдем к количественному рассмотрению традиционных ме­ тодов изучения ш. а. л.

Использование этих традиционных методов опирается я а ряд свойств ш. а. л., а именно: а) свойства функции распределения времени прихода ливневых частиц на уровень наблюдения; б) ази­ мутальную симметрию пространственного распределения ливневых частиц; в) пуассоновый характер распределения траекторий лив­ невых частиц на данном расстоянии от оси ливня.

27

Времена прихода ливневых частиц на уровень наблюдения. Рой частиц, возникающих за счет ядерно-каскадного и электромагнит­ ного каскадного процессов, оказывается в общем случае трех­ мерным.

На малых расстояниях от оси ливня этот рой образует приб­ лиженно плоский диск, радиус которого определяется средним квадратичным расхождением ливневых частиц за счет кулоновского рассеяния, а толщина — средним разбросом длин траекто­ рий ливневых частиц, попадающих на плоскость наблюдения. Учитывая только кулоновское рассеяние частиц, получаем для ра­ диуса диска размер

лением от оси ливня и на расстояниях ~ 1 км достигает несколь­ ких сотен метров1 6 . Кроме того, на больших расстояниях от оси передний фронт потока ливневых частиц уже не является плос­ ким, а представляет собой поверхность сферы радиуса несколько километров [15, 16]. Таким образом, для регистрации полного по­ тока ливневых частиц в ш. а. л. необходимо учитывать, что час­

должны иметь времена «собирания» более указанных величин.

Азимутальная симметрия пространственного распределения ливневых частиц. Для э.-ф. лавины эта симметрия является след­ ствием азимутальной симметрии кулоновского рассеяния и нару­ шается при развитии ливня в атмосфере Земли за счет существо­

Н — напряженность магнитного поля.

Таковы результаты эксперимента. Теоретические расчеты хотя бы в рамках электромагнитной каскадной теории отсутствуют для больших расстояний.

28

Если считать (как это принято в электромагнитной каскадной теории), что формирование пространственного распределения лив­ невых частиц за счет их кулоновското рассеяния эффективно на пути порядка пути их существования, т. е. порядка одной радиа­ ционной единицы, Х0, то отклонения от оси ливня за счет кулоновского рассеяния характеризуются величинами

размеров атмосферы, например таких, как мюоны, роль кулоновского рассеяния и отклонения в магнитном поле Земли может оказаться соизмеримой, в целом же пространственное расхождение этих частиц определяется углами вылета их «родителей» в эле­ ментарных актах ядерно-каскадного процесса.

ного распределения частиц, создавая два максимума в простран­ ственном распределении: один за счет положительно заряженных частиц, другой за счет отрицательно заряженных [17, 18].

Азимутальная асимметрия в пространственном распределении электронов может в принципе возникнуть также за счет случайной азимутальной асимметрии в пространственном распределении малого числа я°-мезонов высокой энергии, хотя в элементарном акте рождения я°-мезонов азимутальная симметрия в среднем вы­ полняется. После образования э.-ф. лавин, асимметрия проявляет­ ся в пространственном распределении всех ливневых частиц. Эффект сказывается лишь на малых расстояниях от оси ливня порядка радиуса расхождения осей парциальных лавин от я°-ме- зонов высокой энергии. Эти расстояния порядка одного метра. Это

29