Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Космические лучи – это потоки частиц (электронов, протонов и более тяжелых ядер, а также их античастиц), распространяющихся в космическом пространстве. Обычно к космическим лучам не относят частицы солнечного происхождения, нейтрино и фотоны высоких энергий. Частицы с энергиями до примерно 1016 эВ, вероятнее всего, ускоряются в остатках сверхновых нашей Галактики, а частицы более высоких энергий (это уже исключительно протоны, другие ядра и их антипартнеры) не могут долгое время удерживаться магнитным полем Галактики, а потому должны иметь по большей части внегалактическое происхождение.

Поток космических лучей довольно велик (они даже играют важную роль в динамике межзвездной среды и в происхождении некоторых легких элементов), однако с ростом энергии количество частиц быстро уменьшается. Если на относительно низких энергиях порядка нескольких гигаэлектронвольт космический детектор AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer, Магнитный альфа-спектрометр), установленный на борту Международной космической станции, регистрирует по миллиарду частиц в месяц, то частицы самых высоких энергий регистрируются единицами в год на площади в сотню квадратных километров. Правда, и энергии у таких частиц гигантские, в сотни миллионов раз превосходящие достигнутые на Большом адронном коллайдере (это уже вполне макроскопические величины – такую энергию имеет летящий теннисный мяч, пущенный профессиональным спортсменом!). Поэтому частицы с энергиями до сотен гигаэлектронвольт (иногда даже до десятков тераэлектронвольт) можно изучать непосредственно с помощью космических аппаратов или в баллонных экспериментах (т. е. с помощью приборов, установленных на борту аэростатов), а на бóльших энергиях работают лишь косвенные методы наземной регистрации вторичных частиц и излучения. Многие методы регистрации космических лучей родственны применяемым для исследования гамма-лучей.

Космические лучи – потоки заряженных частиц, в основном протонов.

Для регистрации различных характеристик космических лучей (энергия, направление, заряд, масса) используют различные методы, многие из которых были изначально опробованы в физике элементарных частиц. Собственно, изначально именно исследования космических лучей были основным способом изучения элементарных частиц (и позитроны, и мюоны были открыты именно в результате таких наблюдений).

Максимальная энергия зарегистрированных частиц превышает 10 20эВ.

Первичные (космические) заряженные частицы практически не достигают поверхности Земли, поэтому для их прямой регистрации необходимо поднять приборы над плотными слоями атмосферы. Именно так, по итогам наблюдений с воздушного шара, Виктор Гесс (Victor Hess) и открыл в 1912 г. космические лучи, заметив, что по мере подъема поток частиц возрастает.

Космические (и баллонные) эксперименты имеют существенные ограничения по массам и размерам, зато они позволяют определять параметры частиц напрямую непосредственно в детекторе. Для измерения энергии частиц обычно используют сцинтилляторы: частица поглощается слоем вещества, а вся ее энергия переходит в оптическую вспышку, регистрируемую фотодетектором.

Частицы с энергией до 10 14эВ исследуют из космоса.

Для измерения заряда и массы лучше устанавливать постоянные магниты, как это сделано в экспериментах PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, Нагрузка по исследованию антивещества и астрофизики легких ядер) на борту спутника «Ресурс-ДК» и AMS-02 на МКС. Заряженные частицы отклоняются магнитным полем: положительно заряженные – в одну сторону, отрицательно заряженные – в другую, кривизна трека (траектории) при этом зависит от массы частицы и величины заряда.

Измерения позволяют определить энергию, заряд и массу частицы, а также направление движения.

Для определения направления движения частиц разработано множество методов. В космических экспериментах используются детекторы, состоящие из большого количества слоев (решеток), реагирующих на пролет частицы элементов. Зная, какие элементы сработали и в каком порядке, можно восстановить траекторию движения частицы.

Частицы высоких энергий достаточно редки, и для их регистрации потребовались бы слишком большие космические аппараты. Поэтому их регистрируют иначе: рабочим телом детектора в этом случае является атмосфера Земли.

При попадании высокоэнергичного протона (или более тяжелого ядра) возникает каскад частиц, который называют широким атмосферным ливнем . Влетая в атмосферу, протон сталкивается с молекулами газов, в результате их взаимодействия в первую очередь рождаются нейтральные пионы – так называемые пи-мезоны (также рождаются К-мезоны – каоны, которые быстро распадаются на пионы). Они распадаются, давая рождение фотонам высоких энергий, которые, в свою очередь, рождают электрон-позитронные пары. Электроны и позитроны, взаимодействуя с заряженными частицами, испускают фотоны высоких энергий, кроме того, идет процесс ионизации атомов, что поставляет дополнительные электроны. В результате всех этих процессов возникает так называемый электромагнитный каскад, его фотонную составляющую можно наблюдать с помощью наземных детекторов.