Научный аспект

Картинка ливня

 

Введение

Сейчас кажется невероятным, но до 1912 года (менее ста лет тому назад!) человечество и не подозревало о существовании космических лучей - потока частиц, прилетающих на Землю из Космоса. Впечатляет также и то, что это открытие есть следствие эксперимента, выполненного австрийским ученым В.Ф.Гессом (1883-1964). С этой увлекательной историей можно более подробно ознакомится в разделе Справочник, а задача этого раздела  - дать общие сведения о космических лучах и о связанных с ними нерешенных вопросах и загадках.

Что представляют собой космические лучи, или состав космических лучей

Подробную информацию о космических лучах можно найти в интернете с помощью любой поисковой системы, например в Астропедии, Википедии или на страничке МГУ. Мы повторим лишь то, что имеет значение для нашего проекта.
Первичными космическими лучами называют поток частиц, прилетающих на Землю из Космоса. Почему - первичные? Дело в том, что частицы, долетающие к нам из космоса, прежде чем достичь поверхности Земли, должны пересечь её атмосферу. А она не такая уж "невесомая", как нам порой кажется! Толщина атмосферы Земли, выраженная в граммах равна 1000 г/см2. Блин ливня Этого вещества вполне достаточно, чтобы космические частицы провзаимодействовали с ядрами веществ атмосферы, прежде чем достичь поверхности Земли. Наличие земной атмосферы приводит к тому, что частицы с малой энергией просто "застревают" в ней, не достигая поверхности Земли. Частицы достаточной энергии (свыше 1013 электрон вольт (эВ)) хотя и провзаимодействуют в атмосфере, но не исчезнут, а произведут в этих столкновениях новые частицы. Эти новые частицы (называемые вторичными), пока их энергии велики, тоже могут провзаимодействовать в более глубоких слоях атмосферы. И так далее (см. Рисунок).

 

В результате поверхности Земли достигает не сама прилетевшая из Космоса частица, а целая группа всевозможных частиц, образованных ей по дороге. Эта совокупность частиц называется Широким Атмосферным Ливнем (ШАЛ). Поскольку вторичные частицы имеют достаточно большую энергию, все они движутся со скоростями, близкими к скорости света, и достигают поверхности Земли почти одновременно. Но в этом "почти" заключен ещё один ключевой для данного проекта факт. Практически одновременно поверхности Земли достигнут частицы ливня, ось которого перпендикулярна её поверхности. Если же ось ливня (направление движения первичной космической частицы) наклонена, то частицы будут достигать поверхности Земли последовательно, причем эта последовательность строго связана с направлением оси ливня, как наглядно видно из следующего рисунка. Зная последовательность времени прихода частиц в детекторах установки, можно определить, откуда прилетела первичная частица. Таким образом, понятна одна из наиболее очевидных научных задач нашего проекта - построение распределения направлений прилета космических частиц. Прилетают ли они равномерно со всех направлений, или существуют выделенные источники космических частиц? Казалось бы, все просто, и этот вопрос должны были решить за 100 лет исследования космических лучей, но, как обычно бывает, все просто только на первый взгляд!

 

Космос не является абсолютно пустой средой. В нем существуют различные поля, включая гравитационное и магнитное. И если гравитация из-за ничтожно малой величины массы частиц существенного влияния на траекторию частиц не оказывает, то магнитное поле оказывает. Нетрудно сообразить или вспомнить из школьного курса физики, что искривление траектории заряженных частиц (вплоть до полного сворачивания ее в замкнутую кривую) за счет магнитного поля тем сильнее, чем медленнее движется частица. Расчеты показывают, что космические частицы с энергией менее 1016 электрон вольт являются пленниками нашей Галактики и их траектории не могут выйти за её пределы.

 

Частицы с энергией между 1016 и 1018 эВ, хотя и прилетают к нам из внешних по отношению к нашей Галактики частей, но столь сильно отклоняются по дороге, что уже не несут информации о положении источника их возникновения. Частицы с энергией свыше 1020 электрон вольт движутся, отклоняясь уже незначительно, и несут таким образом информацию об их источнике. С учётом этого становится понятно, почему задача построения карты неба в космических лучах пока до конца не решена. Частицы с такой гигантской энергией (здесь уместно напомнить, что энергии самого мощного в мире ускорителя - Большого Адронного Коллайдера (LHC), сооруженного физиками и инженерами в Женеве, всего лишь порядка 1016 эВ, что на 7 порядков (миллион раз!) меньше этой энергии) встречаются с Землей крайне редко - всего 1 частица на 1 квадратный километр поверхности в год. Энергетический спектр первичных космических лучей приведен на следующем рисунке.

Энергетический спектр

 

Говоря о научной составляющей проекта, надо отдавать себе отчет, что потенциал такой простой установки, как “Русалка”, с точки зрения возможности наблюдения и исследования новых тонких особенностей космических лучей невелик, и не может конкурировать с современными экспериментальными установками, нацеленными на наблюдение космических лучей.

 

Но утверждать, что у данной установки нет никакого научного потенциала, также неправильно. Даже первый небольшой кластер из 5-6 станций дает возможность выделять случаи ШАЛ при незначительном уровне фона. Используя эти данные, можно исследовать большинство вопросов, связанных с исследованием вариаций интенсивности космических лучей. А высокая точность временной привязки (определения абсолютного времени появление ШАЛ) ~ 20 нсек, открывает возможности поиска как скоррелированых во времени ШАЛ, так и поиска временных сгустков (отклонения от случайного распределения1) во временной последовательности появления ШАЛ. В случае успешного развития проекта и создания новых кластеров регистрации ШАЛ, научная составляющая проекта будет возрастать и при вводе в строй порядка сотни таких кластеров выйдет на уровень современных больших установок, используемых для исследования ШАЛ. (см.AGASA, AUGER).

 


1) Впервые об идее подобных исследований мы узнали от наших чешских коллег, работающих над созданием аналогичного проекта CSELTA