2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

    Из-за большой протяжённости спектра КЛ по энергии и из-за его круто падающего характера необходимо использовать различные методы измерений.

2.1 Прямые методы

    Экспериментальное исследование ГКЛ прямыми методами предполагает возможность непосредственного измерения заряда и энергии первичных частиц. Как уже упоминалось во Введении, верхняя граница энергетического диапазона, внутри которого в настоящее время возможно применение прямых методов, составляет примерно 10¹⁵ эВ. Эта граница определяется, исходя из естественного требования достижения минимально приемлемой статистической точности за разумное время осуществления эксперимента. Хотя эта величина много меньше, чем верхняя граница спектра КЛ (~ 10²⁰ эВ), однако и в этом случае энергетический диапазон, в котором проводятся исследования прямыми методами, простирается на 5 порядков, что приводит к необходимости использовать различные методы измерения заряда и энергии (или импульса) первичных частиц.
    Как известно, магнитное поле Земли может служить анализатором магнитной жёсткости частиц, что позволило в прошлом получить первую информацию относительно энергетического спектра ГКЛ в области приблизительно до 10 ГэВ. Интервал от 10 ГэВ до 10¹⁵ эВ исследовался при помощи фотоэмульсий, ионизационных калориметров, магнитных спектрометров, рентгеноэмульсионных камер и некоторых других приборов, устанавливаемых на спутниках или поднимаемых на баллонах.

Рис. 3 Принципиальная схема спектрометра ИК-15 для изучения частиц космических лучей высокой энергии; М – сменные графитовые и полиэтиленовые мишени, ЧС – черенковские счётчики, ТМ – тонкие мишени из графита, ДН – детекторы заряда и направления частиц, ИК – ионизационные камеры, ПС – пропорциональные счётчики.

    Ионизационный калориметр представляет собой достаточно толстый блок вещества, прослоенный детекторами ионизации, что позволяет, используя показания детекторов, определять полную ионизацию, создаваемую каскадом, генерированным первичной частицей, и затем найти первичную энергию, используя либо моделирование каскадного процесса, либо калибровки ионизационного калориметра на ускорителе. В идеале ионизационный калориметр должен полностью поглотить весь каскад, создаваемый первичной частицей в веществе. Однако при размещении ионизационного калориметра на спутнике или баллоне такое требование нереализуемо, так что калориметр непосредственно может измерять лишь часть энергии первичной частицы, в связи с чем ошибки в измерении энергии возрастают с ростом энергии частицы. Ионизационный калориметр может существовать в фотоэмульсионном варианте, а также представлять собой сочетание слоёв рентгеноэмульсионной плёнки, используемой как детектор ионизации, измеряемой по оптической плотности почернения плёнки, со слоями поглотителя; возможно также использование полупроводниковых детекторов ионизации. Если толщина калориметра мала, так что имеется лишь 1-2 слоя детекторов ионизации, то калориметр превращается в так называемую толчковую установку (толчком называется всплеск ионизации в детекторе при прохождении лавины заряженных частиц). В отличие от калориметров, толчковые установки позволяют измерять лишь число заряженных частиц в максимуме каскада, а не полную ионизацию, создаваемую каскадом.
    Для измерения заряда первичной частицы, как правило, применяются специальные детекторы. Эти детекторы используют то обстоятельство, что как ионизационные потери, так и потери на черенковское излучение пропорциональны Z² – квадрату заряда первичной частицы. Это позволяет осуществить разделение по Z либо по величине ионизационных потерь частицы, либо по потоку черенковского излучения, создаваемому частицей (черенковский счётчик).
     Исследования в космическом пространстве были начаты в 1960-ые годы Григоровым с сотрудниками в экспериментах на спутниках серии «Протон» (Бугаков и др, 1970). В этих экспериментах заряд и направление движения частицы определялись с помощью черенковских счётчиков с плексигласовыми радиаторами, а для определения энергии использовался ионизационный калориметр (Рис. 3), содержащий 140 г/см² Pb и 855 г/см² Fe в качестве поглотителя между 16 слоями ионизационных камер (до настоящего времени этот калориметр остаётся рекордным по весу и светосиле).
    В экспериментах на спутниках серии «Протон» был измерен энергетический спектр всех частиц при энергиях 10¹¹–10¹⁵ эВ и отдельно спектры протонов и α-частиц.
    Продолжившееся в последующие годы развитие технологий привело к осуществлению трёх крупных экспериментов в космосе: HEAO-3, СОКОЛ и CRN, в которых были измерены спектры до энергий ~1ТэВ/нуклон для элементов вплоть до железа. Балонные эксперименты были начаты в 1970-ые годы для измерения спектров различных элементов при энергиях выше 100ГэВ/нуклон.
    В связи с развитием метода эмульсионных камер стали возможными длительные полёты, обеспечивающие большую экспозицию. Были выполнены серии экспериментов: MUBEE, JACEE, RUNJOB. Типичная эмульсионная камера, используемая для прямых измерений КЛ и их взаимодействий наверху атмосферы коллаборацией JACEE (Asakimori, 1998), показана на Рис. 4.

 
Рис. 4 – Эмульсионная камера в эксперименте JACEE.

    Эта камера предназначалась для измерения первичного состава при экспонировании выше 99,5% атмосферы. Верхняя часть камеры состоит из слоёв чувствительной эмульсии, разделённых слоями пластика. Заряд падающего первичного ядра измеряется до его взаимодействия по степени потемнения трека в эмульсии. Средняя часть камеры предназначена для прослеживания треков с минимальной вероятностью взаимодействия. Это позволяет трекам достаточно разойтись, так, чтобы каскады, генерированные за счёт взаимодействий в калориметрической части камеры, могли быть индивидуально измерены.
    Существенные элементы калориметра – это рентгеновские плёнки и свинцовые пластины. Электромагнитные каскады, порождённые или непосредственно электронами или фотонами, или фотонами от распада π⁰-мезонов, развиваются быстро в свинце, и их энергия может быть определена путём суммирования измерений почернения в слоях рентгеновской плёнки вдоль каждого каскада. Характеристики ряда экспериментов в космосе и на баллонах а также данные о планируемых в будущем экспериментов суммированы в Таблице 1 (Wefel, 2003).

Табл.1 Эксперименты по исследованию спектров и химсостава галактических космических лучей 

    На рис. 5 представлена принципиальная схема прибора эксперимента AMS (Casaus et al, 2003).

Рис. 5 Принципиальная схема прибора AMS.

    При рассмотрении результатов по измерению спектров и состава ГКЛ прямыми методами (см. далее в тексте) очевидны статистические ограничения данных, так что качественное и количественное улучшение экспериментальной ситуации необходимо. C учётом падающего характера энергетического спектра ГКЛ, приводящего к резкому падению интенсивности потока ГКЛ с увеличением энергии регистрируемых частиц, детектор площадью 1 м² на границе атмосферы зарегистрирует около 100 событий в год с энергией > 10¹⁵ эВ. Отсюда следует заключение, что энергия ≈ 10¹⁵ эВ отделяет область энергий, в которой возможно использование прямых методов, от области сверхвысоких энергий, где в настоящее время можно рассчитывать на использование только косвенных методов.

2.2 Косвенные методы

    Возможность получать информацию о ГКЛ сверхвысоких энергий обусловлена существованием земной атмосферы, в которой первичная частица развивает адронно- электромагнитный каскад, состоящий из большого числа вторичных частиц и называемый широким атмосферным ливнем (ШАЛ). Это название связано с тем, что вторичные частицы, возникающие в результате взаимодействий и распадов, могут быть зарегистрированы на достаточно больших расстояниях от оси ШАЛ – прямой, совпадаюшей с направлением движения первичной частицы. В зависимости от первичной энергии регистрация ШАЛ может происходить на расстояниях порядка сотен и даже тысяч метров от оси, так что эффективная площадь может достигать десятков квадратных километров. Всё это позволяет изучать ШАЛ при помощи системы изолированных детекторов, размещаемых так, чтобы охватить возможно большую площадь (Христиансен и др, 1975).
    Для реализации метода ШАЛ требуются детекторы большой площади, рассчитанные на длительную экспозицию, что обусловлено малостью потока частиц таких энергий. Наиболее распространённый путь – это строить на поверхности земли установки, которые могут охватывать площади, измеряемые квадратными километрами, и эксплуатироваться годами.
Метод ШАЛ до настоящего времени остаётся наиболее светосильным методом получения сведений о ПКЛ с энергией более 10¹⁵ эВ. Именно этим методом вплоть до самых больших наблюдённых энергий ~ 3.10²⁰ эВ получено большинство данных об основных характеристиках ПКЛ: энергетическом спектре, массовом составе и анизотропии (Kalmykov and Khristiansen, 1995).
    Исторически первым методом, использованным для исследования ШАЛ, был метод детектирования ШАЛ путём регистрации потоков заряженных частиц, и вследствие относительной простоты широко распространён и в настоящее время. Свойства ШАЛ и методические вопросы подробно описаны в обзоре Грейзена (1958), до сих пор не утратившем своего значения.
    Основу ШАЛ составляет адронный каскад в атмосфере, развивающийся от первичной частицы – протона или ядра (Рис.6), провзаимодействовавшей на границе атмосферы.

Рис. 6– Схема развития ШАЛ (Haungs, 2003).

    По мере развития каскада образуются другие компоненты ШАЛ – электронно-фотонная компонента, мюонная, а также возникающие в результате прохождения заряженных частиц через атмосферу оптические излучения (черенковское и флуоресцентное). Наиболее многочисленными среди заряженных частиц ШАЛ являются электроны, к которым принято относить и позитроны. Количество мюонов составляет примерно 10% от числа электронов (при числе электронов Ne ≈10⁵–10⁶). Число гамма-квантов примерно вдвое превосходит число электронов, а адроны составляют ~1% от полного числа частиц в ШАЛ.
    Развитие ливня в атмосфере происходит таким образом, что число частиц в ШАЛ сначала увеличивается, затем достигает максимума, а далее уменьшается по мере того, как энергия всё большего числа частиц падает ниже порога для дальнейшего образования частиц. Частицы ШАЛ образуют тонкий диск релятивистских частиц. Адроны высокой энергии, составляющие ствол ШАЛ, подпитывают электромагнитную часть ливня, в основном, фотонами от распада нейтральных пионов. Нуклоны и другие адроны высокой энергии дают вклад в адронный каскад. Заряженные пионы и каоны более низкой энергии распадаются, давая вклад в мюонную компоненту. (Соотношение между распадом и взаимодействием зависит от энергии и глубины в атмосфере.)
При каждом адронном взаимодействии несколько более трети энергии переходит в электромагнитную компоненту. Так как большинство адронов взаимодействует неоднократно, б?льшая часть первичной энергии постепенно переходит в электромагнитную компоненту. Тормозное излучение фотонов электронами и позитронами, а также генерация электрон- позитронных пар фотонами приводят к быстрому размножению частиц в электромагнитных каскадах, так что число электронов и позитронов в ливне нарастает. После прохождения ливнем максимума число электронов и позитронов начинает уменьшаться, поскольку из-за дробления энергии между частицами их характерная энергия становится ниже критической (Ес~80МэВ), после чего электроны и позитроны быстро теряют оставшуюся энергию на ионизацию. Поэтому большая часть энергии ливня окончательно диссипирует за счёт ионизационных потерь электронов и позитронов. За исключением небольшой доли F(E0) энергии, уносимой мюонами и нейтрино, первичная энергия Е0 определяется суммарной длиной траекторий всех электронов в атмосфере (track length integral):

где N(x) – число заряженных частиц в ливне на глубине x (измеренной вдоль оси ливня) и α– энергетические потери на единицу длины пути в атмосфере.
    Пример установки для изучения ШАЛ приведен на Рис. 7.
    Наряду с регистрацией ШАЛ по потоку заряженных частиц получили широкое распространение также методы детектирования ШАЛ, основанные на регистрации сопутствующих ШАЛ оптических излучений - черенковского излучения и ионизационного свечения или флуоресценции.

Рис. 7– Установка KASCADE (Klages et al, 1997).

    Существенно, что потоки как черенковского света, так и флуоресценции определяются, в основном, характеристиками электронно-фотонных каскадов, которые могут быть рассчитаны с лучшей точностью, чем характеристики адронных каскадов, и поэтому потоки черенковского излучения и флуоресценции в меньшей степени подвержены модельной зависимости. Это является важным преимуществом, хотя реализация метода предполагает работу установки только в ясные безлунные ночи, что уменьшает реальное время эксперимента до 5-10% от астрономического. Детекторы флуоресценции являются существенной частью установки Pierre Auger и при первичной энергии ~ 10²⁰ эВ позволяют регистрировать прохождение ШАЛ на расстоянии до 40 км от детектора. Разрабатываются проекты, предусматривающие регистрацию флуоресценции, создаваемой ШАЛ в атмосфере, на установках космического базирования.
    Интересные данные, существенные для определения массового состава ГКЛ, даёт изучение адронной компоненты ШАЛ. Однако потоки адронов существенно уступают потокам электронной и мюонной компонент, а аппаратура, необходимая для регистрации адронов, достаточно сложна (ионизационный калориметр) и дорога, поэтому адронная компонента на современных установках для регистрации ШАЛ изучается редко.
    Представляется перспективным использование в составе установок ШАЛ рентгеноэмульсионных камер большой площади до ~1000 м² (Рис. 8), как в эксперименте «Памир» (Байбурина и др., 1984), для измерения высокоэнергичной центральной части ШАЛ, позволяющих регистрировать ТэВ-ные частицы с пространственным разрешением 300 мкм.

 
Рис. 8 Схема использования рентгеноэмульсионной камеры (Kempa, 1997).

    Чтобы получить сведения о первичных КЛ из данных ШАЛ, необходим комплексный подход, обеспечивающий нахождение возможно большего числа характеристик в каждом ливне. Одновременная регистрация мюонной компоненты наряду с электронной даёт возможность извлечь информацию о массовом составе первичного излучения. Для этой же цели можно использовать информацию о продольном развитии электронно-фотонного каскада в атмосфере, а также о функциях пространственного распределения тех или иных компонент.
    Использование ШАЛ для определения энергетического спектра и массового состава ГКЛ неизбежно связано с необходимостью восстанавливать параметры первичной частицы (энергию, массовое число, а также направление её прихода) по откликам детекторов, входящих в состав установки. Такое восстановление невозможно, если не располагать моделью этого явления, основанной на экстраполяции ускорительных данных относительно характеристик адронных взаимодействий на область сверхвысоких энергий, где такие данные отсутствуют. Формально ускорительные данные заканчиваются сейчас на эквивалентной лабораторной энергии 1.8.10¹⁵ эВ, однако ряд важных характеристик взаимодействий адрон-нуклон и, в особенности, адрон- ядро, известен лишь до энергий ~1ТэВ. Поскольку используемые в настоящее время модели адронных взаимодействий являются феноменологическими, то, строго говоря, надёжность их предсказаний не может быть гарантирована вне той области энергий, внутри которой были определены параметры модели. Это обстоятельство следует всегда иметь в виду при интерпретации экспериментальных данных, полученных путём исследования ШАЛ.