20. Космические лучи

В. Гесс (1882–1964)

    Космические лучи – это частицы, заполняющие межзвёздное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. В. Гессом с помощью ионизационной камеры, установленной на воздушном шаре. Измерение скорости иони­зации воздуха в зависимости от высоты подъема над уровнем Земли показало, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высоте ~1 км начинает возрастать. Ионизация образуется космически­ми лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства. В 1936 г. В. Гессу была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие космического излучения. Космические лучи представляют собой ядра различных элементов. Максимальные энергии космических лучей ≈ 10²¹ эВ на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (≈ 10¹² эВ). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.

        Различают 3 типа космических лучей (рис. 34).

1. Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
2. Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.
3. Метагалактические космические лучи – космические частицы, образующиеся вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.

Рис. 33. Галактические и солнечные космические лучи

 
Рис. 34. Энергетический спектр космических лучей
в минимуме солнечной активности.

Рис. 35. Энергетический спектр космических лучей.

    Энергии галактических космических лучей охватывают диапазон 10⁶–10²¹ эВ. Их поток для частиц с энергией E > 10⁹ эВ быстро уменьшается с ростом энергии. Дифференциальный энергетический спектр ядерной компоненты космических лучей в области 10¹⁰–10²⁰ эВ описывается соотношением

dN/dE = N₀E^-γ,

N₀ и γ – константы. В спектре наблюдается излом в районе 10¹⁵–10¹⁶ эВ (рис. 35).
    Показатель наклона спектра до излома γ = 2,7. Для космических частиц с большей энергией спектр становится круче: γ ≈ 3.
    Спектр частиц с энергией > 10¹⁹ эВ становится  более пологим, что можно объяснить взаимодействием метагалактических космических лучей с энергией > 10¹⁹  эВ с реликтовыми фотонами, в результате чего космические лучи теряют часть своей энергии, что  делает их спектр более пологим. Это же взаимодействие должно приводить и к обрезанию спектра космических лучей при энергии > 5·10¹⁹ эВ (Г. Зацепин, В. Кузьмин и К. Грейзен).
    Солнечные космические лучи – важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю. Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки имеют временные циклы. Самые мощные из них повторяются в среднем через 11 лет, менее мощные – через 27 дней. Мощные солнечные вспышки могут увеличить поток космических лучей, падающих на Землю, в 10⁶ раз по сравнению с потоком галактических космических лучей. По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космических лучах больше протонов (до 98–99% всех ядер) и соответственно меньше ядер гелия (≈1.5%). В них практически нет других ядер.

Рис. 36. Каскад вторичных частиц в атмосфере Земли.

    Все приведённые выше характеристики космических лучей относятся к космическим частицам до входа в атмосферу Земли — первичному космическому излучению. В результате взаимодействия с ядрами атмосферы высокоэнергичные частицы первичного космического излучения порождают каскад вторичных частиц в атмосфере Земли (рис. 36). Такой каскад покрывает площадь на поверхности Земли несколько км² и называется широким атмосферным ливнем (ШАЛ).

Методы регистрации ШАЛ

1. Регистрация заряженных частиц ШАЛ.
2. Регистрация черенковского света.
3. Регистрация флуоресцентного света (в основном, регистрация излучения азота атмосферы Земли).
4. Регистрация радиоизлучения.

Регистрация широких атмосферных ливней.

    Один из крупнейших в мире детекторов ШАЛ Auger Observatory, расположенный в Аргентине, назван в честь П. Оже, открывшего широкие атмосферные ливни. В его составе 1600 баков, заполненных водой (10 м²), расположенных на площади 3000 км² для регистрации черенковского излучения заряженных частиц ШАЛ на поверхности Земли. Также детектируется флюоресценция воздуха под действием частиц ШАЛ. 
    В России функционирует детектор Тунка, состоящий из 100 детекторов на площади 10 км² (рис. 37). Детектор Тунка расположен вблизи озера Байкал.

Рис. 37. Детекторы установки Тунка.