Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки

§1. Экскурс в историю развития исследований космических лучей

Для начал напомним, что космические лучи - это поток ядер атомов и элементарных частиц высокой энергии, приходящих на Землю из космоса (первичные космические лучи), а также элементарные частицы, рожденные ими в результате взаимодействий в атмосфере (вторичные космические лучи).

Открытие космических лучей было сделано случайно в том смысле, что никто из физиков не ставил специальной задачи их обнаружить, когда начинал работать с электроскопами — прообразами современ­ных воздушных ионизационных камер. В течение 10-летнего периода, предшествующего открытию, многие физики наблюдали слабую иони­зацию воздуха при отсутствии каких-нибудь внешних источников ионизации: в 1900г.— немецкие ученые Ю. Эльстер и Г. Гейтель и английский ученый Ч. Т. Вильсон, в 1903 г.— Э. Резерфорд и Г. Кук, в 1909—1911 гг.— немецкий физик Т. Вульф, шведский метеоролог А. Гоккельидр. Доказал внеземное происхождение источника иониза­ции воздуха австрийский физик В. Ф. Гесс после совершения в 1911—1912 гг. семи полетов на воздушных шарах, в гондоле которых находи­лись герметические электрометры, поднявшись в последнем рекордном полете на высоту 5350 м. Измерения Гесса показали, что ионизация воздуха плавно уменьшается вплоть до высоты 1000 м над уровнем моря, а затем начинает медленно расти и на высотах 3000—4000 м уже превышает ионизацию на уровне моря.

Результаты Гесса подверг критике немецкий физик В. Кольхёрстер, который отрицал гипотезу о внеземном происхождении источни­ка ионизации воздуха. В 1913—1914 гг. он совершил пять полетов на воздушных шарах, достигнув высоты 9300 м. С помощью самой совер­шенной по тому времени ионизационной камеры Кольхёрстер, напере­кор своим убеждениям, подтвердил и уточнил данные Гесса. Окон­чательно доказал внеземное происхождение космических лучей Р. А. Милликен (США), тоже не веривший выводам Гесса, который в серии опытов 1923—1926 гг. применил метеорологические баллоны, оснащенные необходимой аппаратурой для автоматических измерений поглощения космических лучей атмосферой Земли. Он же ввел термин космические лучи. Применение шаров—зондов позволило Милликену достичь высоты 15500 м. Датой открытия космических лучей приня­то считать 1912 г., а Гесса — первооткрывателем их, что выразилось официально в присуждении ему Нобелевской премии по физике в 1936 г. В 1925 г. Л. В. Мысовский и Л. Р. Тувим (СССР), Р. А. Милликен и Дж. Камерон (США) независимо изучали поглощение космических лучей в озерной воде и показали существование проникающего излу­чения. В том же году Г. Гофман (Германия) обнаружил наличие мяг­кой компоненты в космических лучах на уровне моря, но выводы о су­ществовании мягкой и жесткой компонент в космических лучах были сделаны много позже. В 1923—1927 гг. советский физик Д. В. Ско­бельцын изучал эффект Комптона в камере Вильсона. После помеще­ния в 1925 г. Скобельцыным этой камеры в магнитное поле возникла принципиально новая методика в физическом эксперименте, которая позволила ему обнаружить в 1927 г. «ультра-бета-частицы», иногда появлявшиеся в камере группами до трех штук. Работа Скобельцына не опровергала бытовавшую тогда гипотезу о фотонной природе кос­мических лучей, но дала мощный толчок к изучению механизма их поглощения.

Нидерландский физик Якоб Клей в 1927 г. возвращался пароходом в Голландию с о. Ява, имея при себе ионизационную камеру, и обнару­жил широтный эффект космических лучей: уменьшение их интенсив­ности при приближении к экватору на 10—15 % по сравнению со сред­ними широтами. Результат Клея означал, что первичное космическое излучение, входящее в атмосферу Земли, является заряженным. Дан­ные Клея были объяснены немецкими физиками В. Боте и В. Кольхёрстером, применившими в 1929 г. вертикальный телескоп газораз­рядных счетчиков Гейгера—Мюллера, изобретенный за год до этого для регистрации космических лучей. Два счетчика были окружены со всех сторон и отделены друг от друга слоем защиты, но регистрировали, по мнению авторов, одновременные прохождения заряженных частиц. В 1930 г. итальянский физик Б. Росси, работавший в Германии, приме­нил схему совпадений для регистрации одновременных событий в трех газоразрядных счетчиках. Новая методика стала впоследствии мощным инструментом в физических исследованиях. В частности, она позволи­ла Росси в 1932 г. увидеть наличие мягкой и жесткой компоненты в космических лучах. Накопление экспериментальных данных стиму­лировало развитие теории. В 30-е годы стала бурно развиваться кван­товая электродинамика, опережая эксперимент на некоторых направ­лениях и обогащая его. В 1929 г. была развита теория комптоновского рассеяния фотонов О. Клейном (Швеция) и И. Нишиной (Япония), в которой учитывались состояния с отрицательной энергией, введенные П. Дираком (Англия) в 1928 году. В 1932 г., при помощи камеры Вильсона, помещенной по методу Скобельцына в магнитное поле, К. Д. Андерсон (США) обнаружил в космических лучах позитрон, предсказанный Дираком. В 1930—1932 гг. немецкий физик X. А. Бе­те, эмигрировавший из Германии в 1933 г., и в 1933 г. Ф. Блох (США) получили формулу для ионизационных потерь заряженных частиц, что облегчило интерпретацию результатов Росси 1932 г. X. А. Бете и В. Гайтлер (Англия) в 1934 г. разработали теорию радиационных процессов и получили формулы для вычисления эффективных поперечных сечений тормозного излучения электрона и образования гамма-квантом электрон-позитронных пар. В 1935 г. П. Оже (Франция).и Б. Росси доказали наличие двух компонент в космических лучах: мяг­кую, поглощаемую 10 см свинца, и жесткую, которая не поглощается полностью даже метровым слоем свинца.

В 1934 г. С. Н. Вернов (СССР) впервые применил автоматическую регистрацию интенсивности космического излучения в полетах шаров зондов путем установления на них радиопередающей аппаратуры, подключенной к выходу двух счетчиков Гейгера—Мюллера. Счетчики были разделены слоем свинца толщиной 2 см, а аппаратура выделяла одновременные разряды, возникающие в них. Впоследствии, в 1936— 1939 гг., разработанный метод помог С. Н. Вернову измерить широт­ный эффект в стратосфере в диапазоне от 5 до 56° и показать, что подав­ляющая часть первичного космического излучения состоит из заряжен­ных частиц. В 1938 г. П. М. С. Блэкетт (Англия) и Дж. Оккиалини (Италия) с помощью камеры Вильсона, управляемой телескопом из счетчиков Гейгера—Мюллера, обнаружили ливни вторичных заря­женных частиц, которые впервые наблюдал Д. В. Скобельцын в 1929 г. в виде групп треков «ультра-бета-частиц». А несколько ранее, в 1937 г. индийский физик Г. Баба и В. Гайтлер в Англии, а также, независимо от них, Дж. Карлсон и Дж. Р. Оппенгеймер в.сша по­строили каскадную теорию электронно-фотонных ливней. В 1935 г. японский физик X. Юкава предположил существование нестабильных заряженных или нейтральных частиц мезонов—квантов обменных ядерных сил с массой 200 — 300 масс электрона. Спустя два года, в 1937 г., К. Д. Андерсон и С. Г. Неддермейер (США), наблюдая треки заряженных частиц в камере Вильсона, которая была помещена в маг­нитное поле, до и после прохождения свинцовой или платиновой пластинки, пришли к заключению, что в составе космических лучей имеется нестабильная частица с массой в 100 раз большей массы элек­трона. Поначалу новая частица была отождествлена с мезоном Юкавы, хотя слабое поглощение ее в атмосфере являлось противоречием. Впоследствии выяснилось, что эта массивная проникающая частица есть «тяжелый электрон» — мюон, который не является мезоном Юкавы. В 1938 г. П. Оже и независимо В. Кольхёрстер, регистрируя совпадения разрядов в счетчиках Гейгера—Мюллера, которые нахо­дились на удалении друг от друга в горизонтальной плоскости, обна­ружили широкие атмосферные ливни.

Вторая мировая война прервала практически все физические мир­ные исследования, поэтому научные публикации об изучении космиче­ских лучей практически перестали выходить даже в США. Только с 1947 г. число публикаций стало снова значительным. Война стиму­лировала развитие техники, чем повлияла на характер послевоенных исследований. Следует отметить, что послевоенное изучение физики кос­мических лучей распалось на несколько направлений и проследить историю развития исследований достаточно сложно. Постепенно вы­делилось два важнейших аспекта исследований: ядерно-физический и космофизический. Оба направления, безусловно, перекрываются во многих вопросах, но имеют и неперекрывающиеся задачи. К числу важнейших достижений ядерно-физического аспекта следует отнести открытие в космичеких лучах пи-мезонов и и странных частиц, что дало мощный толчок развитию физики элементарных частиц; результаты по множественному рождению частиц, механизму образования и раз­вития широкого атмосферного ливня, нейтринные эксперименты и опыты, связанные с поиском протонного распада. Космофизический аспект в ряде экспериментов связан с ядерно-физическим аспектом: нейтринные эксперименты, поиск локальных источников и анизотро­пии космических лучей и др. Прогресс космофизического аспекта в не­малой степени связан также с развитием ракетной космической тех­ники, позволившей изучать космические лучи за пределами атмосферы Земли в пределах Солнечной системы, понять строение магнитосферы Земли и межпланетного магнитного поля.

В 1947 г. Ч. М.Дж. Латтес (Бразилия), Дж. Оккиалини (Италия) и С. Ф. Пауэлл (Англия), анализируя следы заряженных частиц в ядерных эмульсиях, которые экспонировались на вершине Пик-дю-Миди (2800 м) в Альпах (Франция) и на горе Чакалтай (5500 м) в Бо­ливии, открыли новую частицу —пи-мезон. Эта частица оказалась тем ядерным квантом, существование которого предполагал Юкава.

В 1947 г., вскоре после открытия пи-мезона, Дж. Р. Рочестер и К. Батлер, работая в лаборатории космических лучей Манчестерского университета, впервые наблюдали два случая распада тяжелых частил в камере Вильсона. Это были первые наблюдения странных частиц, в частности К -мезонов.

В 1951 г. Манчестерская группа, куда входили Р. Арментерос, К. Баркер, К. Батлер, А. Кашон и А. Чепмен, в камере Вильсона открыли лямбда-гиперон. Через год та же группа, в которую вместо А. Чепмена вошел С. Йорк, наблюдала в камере Вильсона кси-гиперон.

Наконец, в 1953 г. была открыта последняя в космических лучах частица — сигма-гиперон. Ее распады обнаружила в ядерных эмульсиях Миланская группа: А. Бонетти, Л. Реви-Сетти, М. Понетти Г. Томазини.

С 1945 г. началось активное изучение широких атмосферных лив­ней. В 1947—1949 гг. исследования привели Г. Т. Зацепина (СССР) к выводу о существовании в широком атмосферном ливне ядерно-каскадного процесса.

В 1950—1951 гг. японские физики Дж. Нишимура и К. Камата получили теоретически структурную функцию электронно-фотонноп ливня.

Теорию множественного рождения вторичных частиц развивал В. Гейзенберг (1936—1952), Э. Ферми (1950), И. Я. Померанчук (1951), Л. Д. Ландау (1953).

Основы теории происхождения космических лучей заложи Э. Ферми (1949).

Новая эра в изучении космических лучей наступила после первых полетов советского искусственного спутника Земли в 1957 г. Уже в 1958 г. были обнаружены Ван Алленом (США) при помощи спутников «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3» внутренний, а С. Н. Верновым А. И. Лебединским и А. Е. Чудаковым (СССР) с помощью ИСЗ-3 - внешний радиационные пояса.

Дальнейшие исследования с помощью выносных аппаратов позво­лили обнаружить секторную структуру межпланетного магнитного поля, изучить строение магнитосферы, обнаружить явление переполюсовки общего магнитного поля Солнца, проходившее примерно в середине 11-летнего цикла солнечной активности. Наибольший вклад в космофизические исследования внесли ученые СССР и США путем ис­пользования многочисленных искусственных спутников различно­го назначения, межпланетных космических станций, геофизических ракет.

В 60-х годах стала интенсивно развиваться нейтринная астроно­мия. Еще в 1946 г. Б. М. Понтекорво (СССР) предложил хлор-аргонную реакцию для регистрации солнечных электронных нейтрино. На­чиная с 1967 г. Р. Дэвисом в США поставлен ряд экспериментов, имеющих цель измерить поток электронных нейтрино, исходящих из ядра Солнца. Результаты экспериментов поставили новые вопросы, так как поток солнечных нейтрино оказался в пять раз ниже ожидае­мого. В 1978 г. введен в строй подземный сцинтилляционный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории (БНО, СССР), предназначенный для регистрации галактических нейтрино, генерируемых во время вспышек Сверхновых. Программа исследований реализуется под руко­водством Г. Т. Зацепина и А. Е. Чудакова. В нескольких лаборатори­ях мира в 80-х годах начаты поиски протонного распада, в СССР — в БНО и в соляной шахте г. Артёмовска.

В 50-х годах начато изучение первичного энергетического спектра космических лучей с помощью крупных установок, регистрирующих широкие атмосферные ливни. Эти исследования привели советских физиков С. Н. Вернова, Г. Б. Христиансена и др. к открытию пере­лома в энергетическом спектре первичного космического излучения при энергии 3 • 10¹⁵ эВ, который, вероятно, связан с энергетическим порогом удержания космических лучей в нашей Галактике. Открытие зарегистрировано в середине 70-х годов, но результаты накапливались в течение 20-летнего периода работы. Мировые исследования показали, что энергетический спектр космических лучей простирается вплоть до 10²⁰ эВ, что фон космических лучей ниже энергии 10¹⁵ эВ практически изотропен, а в области сверхвысоких энергий 10¹⁹—10²⁰ эВ имеет анизо­тропию, указывающую, возможно, как на галактическое, так и на вне­галактическое его происхождение. В этих же экспериментах было пока­зано, что множественность пи-мезонов, возникающих в ядерных взаимо­действиях при сверхвысоких энергиях, высока и растет с увеличением энергии, что нуклоны высоких энергий в каждом взаимодействии переда­ют во вторичные частицы, в среднем, половину энергии, что в «стволе», широкого атмосферного ливня идут «лидирующие» высокоэнергетичные частицы, которые снабжают ливень энергией на всем его протяжении.

Такова краткая история изучения космических лучей, в которой берет свое начало история исследования физики элементарных частиц, космофизики и физики Солнца.

§2. Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки

Согласно всесоюзной классификации научных направлений физика космических лучей является одним из разделов более общего направле­ния — ядерной физики. Поэтому, например, в экспериментальных ме­тодах физики космических лучей, как и в ядерной физике, применяют дегекторы излучений. Но имеются и особенности, присущие только экспериментальным методам исследования космических лучей, кото­рые, в свою очередь, следует классифицировать по соответствующим темам исследований.

1. Первичное космическое излучение.

Исследование первичного космического излучения предполагает:

1. измерение энергетического спектра первичных космических частиц в области энергий Е_о10¹⁷ эВ, выяснение вопроса о его галактическом либо метагалактическом происхождении

2. измерение химического состава первичных космических лучей при энергии Е_о = 10¹⁴ — 10¹⁵ эВ;

3. поиск и изучение локальных источников космических лучей в Галак­тике.

Первая задача на современном этапе развития экспериментальной техники может быть решена только с помощью комплексных установок для изучения широких атмосферных ливней на уровне моря. Главная трудность — низкий поток первичного космического излучения и не­возможность непосредственного измерения энергии первичной час­тицы. Благодаря использованию метода ШАЛ эффективная площадь регистрации крупнейших экспериментальных установок достигает десятков квадратных километров. Для детектирования заряженных частиц ШАЛ обычно применяют сцинтиляционные и черенковские детекторы с большой площадью регистрации и значительным объемом энерговыделения. Наиболее часто в детекторах применяют пластмас­совые сцинтилляторы на основе полистирола с площадью 1—2 м². В качестве радиатора черенковских счетчиков зачастую используют дистиллированную воду, залитую в металлические баки объемом в не­сколько кубических метров.

Комплексная установка ШАЛ Haverah park университетов Лидс, Нотингем, Лондон, Дархем (Англия) предназначена для изучения продольного развития, флуктуаций размера, энергетических спектров электронов и мюонов ШАЛ, а также для измерения первичного энер­гетического спектра. Диапазон энергий регистрируемых ШАЛ от 10¹⁶ до 10²⁰ эВ. Площадь комплексной установки, на которой размещены 580 водных черенковских детекторов, равна 15 км². В середине 80-х годов эксплуатация установки прекращена, а детекторы используются для других задач.

Установка Сиднейского университета (Австралия) имела площадь 40 км², в ее состав входило 408 жидких сцинтилляционных детекторов с площадью каждого 6 м². Имелась возможность регистрации ШАЛ от 210¹⁶ до 10²¹ эВ. В 80-х годах не эксплуатировалась.

Рис. 1. Пример регистрации ШАЛ Якутской установкой. Ось ливня прошла на расстоянии 69 м от центра установки. Белые и черные кружки — места располо­жения сцинтилляционных детекторов. Цифры у черных кружков — плотность ча­стиц (м-²), прошедших через данный детектор. Параметры ШАЛ:

время регистрации — 17 марта 1975 г., 05 ч 02 мин московского времени; положение оси в про­странстве — зенитный угол  = 41,5°, азимутальный угол  = 280°; полное число частиц — 3,4; энергия—~3,4 • 10¹⁹ эВ. Стрелка указывает направление на географический Северный полюс

Якутская комплексная установка ШАЛ Института космофизических исследований и аэрономии Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР имеет площадь 18 км², на которой размещены 172 пластмассовых сцинтилляционных детектора площадью 2 м² каж­дый. Регистрируются ШАЛ с энергией 10¹⁷—10²⁰ эВ. На рис. 1 при­веден план размещения сцинтилляционных детекторов на Якутской установке, где отмечены детекторы, зарегистрировавшие прохождение частиц одного из ШАЛ.

В 1985 г. в районе Акено (Япония) запущена экспериментальная установка ШАЛ с площадью 20 км².

В экспериментальной установке университета Ута (США) применен оптический метод регистрации ШАЛ. Детектируется флуоресценция воздуха, вызванная ШАЛ, с помощью 60 параболических зеркал диаметром 1,5 м. Возможно детектирование ШАЛ с энергией Е_о >10²¹ эВ, если таковые существуют в природе. Эффективная площадь регистрации для таких ШАЛ достигает 1000 км³, ибо она определяется площадью светосбора в той области атмосферы, откуда приходит наи­большее количество флуоресцентного света. В СССР, близь г. Алма-­Ата, в 1988 г. начато строительство комплексной экспериментальной установки ШАЛ-1000 площадью 1000 км².