Космические лучи как объект и инструмент исследований

Можно выделить несколько этапов в изучении космических лучей. В первые десятилетия для изучения были доступны только вторичные частицы, рождающиеся при взаимодействиях в атмосфере. Следует отметить создание горных станций. Большую роль сыграла памирская экспедиция С.Вавилова. Именно в космических лучах были открыты позитрон и мюон.

В первые годы после Великой Отечественной войны в СССР работы по космическим лучам были тесно связаны с атомным проектом. О природе первичных частиц на этом этапе выдвигались противоречивые гипотезы. В основном, обсуждалось, что преобладает в первичном потоке - протоны, электроны или гамма-кванты. Запуск первых искусственных спутников Земли существенно расширил знания о космических лучах. Газоразрядные счетчики стояли на третьем советском спутнике и на американском «Эксплорер-1». Тогда были открыты радиационные пояса земли. В 60-е гг наступил настоящий прорыв в физике космических лучей. Тяжелые спутники серии «Протон» позволили промерить спектры ядерной компоненты в очень широком диапазоне.

В последующие годы шла (и идет сейчас) детализация сведений по составу космических лучей и выделение редких компонент. Тут следует особо отметить эксперимент «Сокол» (под руководством В.Я.Шестоперова). Параллельно развивается изучение лучей сверхвысоких энергий на наземных установках, накапливается статистика (еще в 1956 г под руководством Г.Б.Христиансена было открыто «колено», а в конце 60-х «лодыжка» Стекером, Линсли и др.). Идет осмысление полученного материала, сопоставляются данные по различным компонентам, строятся модели происхождения космических лучей.

Сейчас обсуждается природа частиц сверхвысоких энергий, роль экзотических источников, вроде магнетаров, гиперновых звезд, активных галактических ядер.

Даже для максимальных наблюдаемых энергий космических лучей такая вероятность очень мала. Впрочем, если такие черные минидыры и образуются, то обнаружить их крайне сложно из-за быстрого распада в силу эффекта Хокинга. Просто будет чуть другое распределение вторичных частиц.

В принципе энергию космических лучей могут ограничивать два обстоятельства. Во-первых, механизм ускорения может работать лишь до определенного уровня. Уже известно, что классический механизм Ферми на обычных сверхновых не может обеспечить наиболее высокие энергии, зарегистрированные в экспериментах. Поскольку механизм ускорения до сверхвысоких энергий пока однозначно не определен, разные модели дают различные оценки предельных достижимых энергий.

Во-вторых, ограничение может быть связано с процессом распространения космических лучей в межзвездной среде. Еще в 1966 г. К.Грейзеном, Г.Т.Зацепным и В.А.Кузьминым было показано, что при энергиях выше 4*1019 эВ протоны должны терять энергию на взаимодействия с фотонами реликтового излучения. Поэтому возникает вопрос о природе частиц с энергиями выше указанного предела. На этот счет существуют разные гипотезы, в том числе, и основанные на предположении о наличии здесь тяжелых ядер или даже неизвестных ранее частиц. Возможно, загадка предела в спектре космических лучей связана с загадкой природы темной материи.

Формально, гамма-астрономия представляет собой отдельное направление. Однако многие методики гамма-астрономии близки методикам изучения космических лучей. Например, сейчас на орбите работает прибор Fermi-LAT, предназначенный для регистрации как гамма-квантов, так и космических лучей. Гамма-вспелески – очень интересное и пока до конца не объясненное явление. Кратковременные (от десятых долей секунды до десятков секунд) всплески гамма-излучения достигают Солнечной системы из-за пределов нашей Галактики. Считается, что большая часть гамма-всплесков порождается при коллапсе быстро вращающихся звезд: вблизи полюсов оболочку прорывают джеты. Наша страна участвует в нескольких международных гамма-астрономических программах. В 2002 с Байконура была запущена международная орбитальная обсерватория «Интеграл». Сейчас обсуждаются новые проекты.

Традиционно космическими лучами называют заряженные частицы, попадающие в земную атмосферу из космоса. Следует заметить, что этот термин нередко относят и вторичным частицам, рождающимся в атмосфере при взаимодействии первичных частиц высоких энергий. Основную часть первичных космических лучей составляют протоны и более сложные ядра различных элементов. Есть также заметный поток электронов и позитронов. На низких энергиях большую роль играют солнечные космические лучи. При этом поток галактических космических лучей низких энергий ( до ~10 ГэВ) заметно ослабляется гелиосферой (солнечная модуляция) и заметно зависит от уровня солнечной активности. Грубо говоря, гелиосфера не пропускает самые медленные частицы из-за пределов Солнечной системы. На более высоких энергиях энергетический спектр адронной компоненты космических лучей падает степенным образом dN/dE ~ E-(γ+1). Если такую зависимость изобразить в виде графика в двойном логарифмическом масштабе, то получится прямая. Однако на энергии ~3*1015 эВ на таком графике наблюдается излом (прозванный «коленом») – энергетический спектр становится круче. При энергиях выше 1018-1019 эВ спектр снова выполаживается («лодыжка»). Спектр электронов заметно круче, он промерен до сравнительно невысоких энергий. В отличие от астрономических наблюдений (как в оптическом, так и в радио, рентгеновском, гамма диапазонах) направление прихода частицы почти не связано с направлением на источник из-за рассеивания на межзвездных магнитных полях. Есть только довольно слабая анизотропия.

Как проводятся эксперименты? Выбор методики обусловлен исследуемым энергетическим диапазоном. Идеальный случай – для каждой частицы, попадающей в экспериментальную установку, определить тип и энергию. Подняв установку выше основной толщи атмосферы на аэростате или спутнике, можно измерить заряд частицы (с помощью полупроводникового, черенковского или сцинтилляционного детектора). Таким образом выделяются ядра. Для измерения энергии применяются магнитные спектрометры, газовые черенковские счетчики, детекторы переходного излучения и наиболее универсальные приборы – ионизационные калориметры. В сущности, всё сводится к использованию различных эффектов, зависящих от энергии. Высокоэнергичная частица слабее отклоняется магнитным полем, чем низкоэнергичная. Высокоэнергичная частица при взаимодействии с веществом порождает больше вторичных частиц. И т.д.

Но энергетические спектры являются падающими, и высокоэнергичных частиц мало. Значит, при увеличении рабочих энергии требуются большие по размерам установки. В космос очень большой прибор вывести сложно и дорого. Для изучения космических лучей сверхвысоких энергий используются широкие атмосферные ливни. Частица очень высокой энергии способна создать в атмосфере каскад вторичных частиц, который регистрируется наземными установками. Такие установки состоят из множества детекторов, размещенных на огромных площадях (например, в Якутии). Также можно измерять черенковское излучение от частиц каскада в атмосфере.

Итак, информация по космическим лучам, получаемая в различных экспериментах, представляет собой преимущественно набор энергетических спектров – как суммарный спектр всех частиц, так и отдельные спектры компонент (протонов и различных ядер). По этим спектрам можно судить об астрофизических процессах. Еще Ферми предположил, что заряженные частицы ускоряются на ударных волнах, создаваемых сверхновыми. Фронт такой ударной волны разделяет области с разными значениями магнитного поля, и процесс ускорения напоминает работу бетатрона. Химический состав космических лучей позволяет утверждать, что значительную роль в его формировании играют звезды Вольфа-Райе. Вопрос о вкладе других механизмов ускорения пока остается открытым.

Следует отметить, что в составе космических лучей довольно много таких ядер, как литий, бериллий, бор, которых очень мало в звездах. Эти элементы образуются при фрагментации более тяжелых ядер, сталкивающихся с межзвездным газом. Поэтому по содержанию упомянутых элементов легко оценить расстояние, пройденное космическими лучами. Эти расстояния заметно больше размеров Галактики – траектории сильно искривлены магнитными полями. Сравнение данных по разным компонентам космических лучей помогает построить непротиворечивые модели процессов ускорения и магнитных полей Галактики. Электроны, в отличие от ядер, в процессе распространения заметно теряют энергию на синхротронное излучение. Поэтому высокоэнергичные электроны несут информацию о ближайших (конечно, по галактическим масштабам) окрестностях Солнечной системы.

Недавно обнаруженное отклонение спектра от правильной степенной формы может быть проявлением аннигиляции темной материи. Еще одна проблема – поиск антивещества. Антипротоны регистрируются давно, но они могут быть продуктом взаимодействий обычных космических лучей с межзвездным газом. Но более тяжелые антиядра стали бы доказательством наличия больших скоплений антивещества. Пока антиядра не обнаружены, но чувствительность приборов постепенно повышается. Таким образом, космические лучи – важный источник астрофизической информации, серьезно дополняющий традиционные астрономические данные.

Ядерная бомба – не очень подходящий ускоритель: заряженных частиц генерируется очень много, но их энергии малы. Напомню про операцию «Аргус»: в результате космического ядерного взрыва образовался искусственный радиационный пояс, так как частицы захватывались магнитным полем Земли. Впрочем, есть природный аналог – вспышки на Солнце. Всегда сначала вспышка видна в оптическом диапазоне, а потом к Земле доходят заряженные частицы, естественно, с досветовыми скоростями. Но подчеркну еще раз: ускорительные эксперименты однозначно подтверждают СТО.

Интересных вопросов в физике космических лучей очень много. Я бы выделил несколько тем. Во-первых, природа «колена» и «лодыжки» в спектре космических лучей. Энергии велики, частиц мало, и исследования в этой части спектра велись по каскадам в атмосфере, без точного определения природы первичных частиц. Поэтому продвижение прямых космических экспериментов в область «колена» будет очень полезным.

Во-вторых, проблема ускорения космических лучей до сверхвысоких энергий. Пока однозначного объяснения нет. С этим также связана проблема других источников, помимо сверхновых. В принципе, такие объекты, как магнетары, могут порождать и ускорять космические лучи. Но насколько велик вклад магнетаров – значительная доля или малая поправка?

В-третьих, проблема обнаружения темной материи. Неровности в спектре электронов могут объясняться именно аннигиляцией частиц темной материи (WIMP). Но статистика пока не очень велика, и требуются новые длительные измерения спектров электронов установками с хорошим энергетическим разрешением.

В-четвертых, проблема антивещества. Антипротоны и позитроны в космических лучах обнаружены давно, но они могут образовываться при взаимодействии обычных высокоэнергичных частиц с межзвездным газом. А вот если будут обнаружены антиядра, это будет свидетельством существования антигалактик.

Чисто формально нейтринную астрономию принято считать отдельным направлением исследований, но фактически изучение нейтрино и космических нейтрино и космических лучей очень тесно связано. Для нейтринной астрономии космические лучи – фон, от которого избавляются, размещая установки под землей и применяя системы антисовпадений. В Советском Союзе была создана мощная школа по изучению космических нейтрино. Тут надо вспомнить академика А.Е.Чудакова. Еще в 60-е гг была организована Баксанская нейтринная обсерватория, использующая как сцинтилляционный нейтринный телескоп, так и галлий-германиевый детектор. Недавно создан Байкальский глубоководный нейтринный телескоп, использующий в качестве детектора воду в глубине Байкала.

Вообще-то известно два эксперимента с названием РУСАЛКА. Но, вероятно, в данном контексте речь идет не об изучении состава атмосферы, а о широком проекте по изучению космических лучей высоких энергий, разрабатываемом коллегами из Дубны. Космические лучи сверхвысоких энергий образуют в атмосфере каскады вторичных частиц – широкие атмосферные ливни. Для их регистрации требуется большое количество детекторов ионизации, причем сами эти детекторы довольно просты. Обычно это набор сцинтилляторов и соответствующей электроники.

Точную привязку по времени и координатам сейчас можно обеспечить с помощью стандартной аппаратуры GPS, не связывая детекторы напрямую кабелями. Поэтому возникает идея привлечь школьников к таким исследованиям. Проект еще только разрабатывается, публикаций пока нет, но есть сайт http://livni.jinr.ru/. В перспективе такая работа позволит создать серьезный банк данных по широким атмосферным ливням, превосходящий по объему существующие. Кроме того, точная привязка по времени позволит сопоставить результаты из разных мест.