М. И. Панасюк, профессор, д ф. м н

Вид материала

Содержание

Распространение в Галактике космических лучей
Экспериментальные точки отношения доли вторичных ядер бора к ядрам углерода и предсказания различных моделей из доклада В.С.Птус
Актуальные задачи по исследованию ГКЛ
Если умножить спектр КЛ на E
Феномен «колена» КЛ – история длительностью 50 лет.
Колено в спектре ГКЛ как свидетельство ограничения на максимальную энергию ускорения
Колено как следствие распространения КЛ в Галактике.
Так должны вести себя различные ядра КЛ в области колена, если предположить, что колено является следствием распространения КЛ в
На картинке показано, из чего должно «состоять» колено, в случае существования близкого источника
Прямые эксперименты
Сводные данные по потокам протонов и гелия, представленные на Международной конференции по космическим лучам в 2005 г,.в Пуне (И

Подобный материал:

1 2 3

Распространение в Галактике космических лучей

Покидая фронт ударной волны, заряженные частицы ГКЛ попадают под воздействие галактических магнитных полей. Происходит взаимное влияние магнитного поля и потока заряженных частиц. Частицы меняют свою первоначальную траекторию («запутываются» в магнитных полях Галактики), и, дойдя до края Галактики, могут из нее выйти («истечь» из Галактики). Причем процесс «истекания» зависит от энергии частицы ГКЛ. Связано это с тем, что, чем больше энергия частицы, тем сложнее ее развернуть магнитным полем, т.е. радиус кривизны ее траектории возрастает, и при энергии 10¹⁹ эВ частицы практически летят по прямой линии. А это означает, что с увеличением энергии возрастает вероятность вылета частицы из Галактики. Распространение космических лучей носит диффузионный характер, поэтому математически такое поведение описывается как зависимость коэффициента диффузии от энергии D~E^ , где показатель степени составляет =0.3-0.6. Решая уравнения диффузии, можно получить, что энергетический спектр частиц по мере диффузии к Земле становится более крутым как раз на величину . Поэтому, по измеренному около Земли спектру I~ Е^-2.7, оценен усредненный спектр в источниках I~ Е^-2.1-2.4.

Время удержания или «время жизни» ГКЛ до выхода за границы Галактики обратно пропорционально коэффициенту диффузии, т.е. оно уменьшается с ростом энергии. Для частиц с энергией 1-2 ГэВ оно составляет ~ 40 млн лет. За это время они успевают заполнить Гало Галактики и, хотя вещество в Галактике в основном очень разрежено (10^-3-1 атом/см³), они успевают пройти заметную толщу вещества – около 10 г/см² (в ядерной физике очень часто путь выражается в единицах плотностьрасстояние, поэтому имеет размерность г/см²). Для частиц больших энергий пройденный путь должен резко уменьшаться: при энергии 10 ТэВ  уже только 0.10.4 г/см², а «время жизни» ГКЛ при этих энергиях уже 13 млн. лет

Сейчас известно, что космические лучи заполняют протяженное Гало Галактики, хотя основные объекты, способные ускорять КЛ, находятся в дисковой составляю шей Галактики.

Уменьшается ли пройденный путь на самом деле, можно узнать, измерив долю вторичных ядер при высоких энергиях, так как она прямо пропорциональна длине пути (выраженному в г/см²), проходимому частицей. На рисунке ниже приводится картинка по доле вторичных ядер бора к первичным ядрам углерода и ее экстраполяция в область высоких энергий по различным моделям. Как показано на рисунке, при низких энергиях все модели достаточно хорошо совпадают с экспериментом. Но уже при энергии около 10 ТэВ отношение вторичных ядер к первичным в разных моделях могут отличаться на два порядка. Измерив это соотношение, можно по выбранной модели определить структуру магнитных полей Галактики, определить значение коэффициента диффузии в зависимости от энергии, и определить характер спектра в источниках.

Экспериментальные точки отношения доли вторичных ядер бора к ядрам углерода и предсказания различных моделей из доклада В.С.Птускина.

Проблема анизотропии.

Давно было замечено, что ГКЛ падают на Землю удивительно изотропно. Существующий небольшой избыток ГКЛ в одном направлении на уровне 0.04% вполне объясняется движением Земли навстречу ГКЛ (Эффект Комптона-Геттинга). Проблема заключается в том, что в соответствии с расчетами анизотропия должна расти с ростом энергии как коэффициент диффузии, т.е. A~ Е^0.3-0.5, а она не зависит от энергии. Кроме того, в стандартной теории ускорения КЛ в остатках сверхновых близкие остатки, такие как SNR Вела должны по расчетам давать заметный вклад в поток ГКЛ, и должен наблюдаться избыток частиц с этого направления. Измерение анизотропии на Земле осуществлялось на наземных установках, а это является очень трудной задачей, не только из-за малости эффекта, но и из-за различных эффектов в атмосфере, приводящих к изменению потоков. Кроме того, любая наземная установка просматривает ограниченную часть небосклона. Поэтому для того, чтобы ответить на вопрос, в разных ли источниках образуются космические лучи, необходимо измерить анизотропию для разных ядерных компонент, и лучше ее измерять за пределами атмосферы по всему небосклону в течении нескольких лет. Маленькая величина и отсутствие энергетической зависимости анизотропии от энергии свидетельствует либо о значительно более слабом росте коэффициента диффузии с ростом энергии, связанном с распространением ГКЛ, либо о значительно большем количестве источников КЛ, дающих вклад в основной поток, чем остатки сверхновых.

Актуальные задачи по исследованию ГКЛ

Все перечисленные процессы находят свое отражение в химсоставе и энергетических спектрах КЛ, измеряемых у Земли. Однако, в отличие от исследования Галактики методами астрономии в оптическом, радио, рентгеновском, гамма диапазонах электромагнитного излучения, когда сохраняется направление на исследуемый объект, исследование потока ГКЛ у Земли является объективно трудной задачей, поскольку КЛ содержат в себе интегральную информацию об источниках и процессах распространения в Галактике. Для корректной интерпретация состава и энергетического спектра КЛ необходимы прецизионные данные об элементном составе ГКЛ и относительном поведения энергетических спектров различных элементов.

Такая подробная информация накоплена лишь до энергий ~10¹² эВ, на основе которой был оценен «возраст» ГКЛ, разработаны теоретические модели рождения и распространения ГКЛ, которые приняты большинством астрофизиков. Аппроксимация полученных результатов в область больших энергий вызывает споры – не хватает достоверных экспериментальных данных.

Однако, кажется, сама природа сможет помочь осуществить прорыв в понимании физики ГКЛ высоких энергий. Дело в том, что суммарный энергетический спектр ГКЛ имеет не монотонно падающий характер, а имеет несколько особенностей. Общее мнение состоит в том, что особенность в таком усредненном параметре как суммарный энергетический спектр ГКЛ должна вызываться какими то глобальными изменениями в природе явления и изучение механизмов изменения даст ответ на многие ключевые вопросы рождения и распространения ГКЛ.

Все началось с того, что сотрудниками НИИЯФ МГУ (Г.Б.Христиансен, Г.В.Куликов, 1958 г.) при анализе спектра ШАЛ был открыт первый «излом» в энергетическом спектре космических лучей при энергии ~ 310¹⁵эВ. Впоследствии каждая вновь создаваемая установка ШАЛ (а их созданы десятки и на всех континентах) начинала свою работу с экспериментального подтверждения этого феномена, который принято называть «коленом». По мере развития методики ШАЛ и накопления статистического материала «анатомия» спектра КЛ с тех пор значительно уточнилась: оказалось, что при энергии ~10¹⁷ 10¹⁸ наблюдается некоторое «укручение» спектра, а затем его «уположение». Эта особенность спектра была названа «лодыжкой» (все эти особенности лучше видны, если интенсивность КЛ умножить на множитель Е^2.5). На рисунке собраны экспериментальные данные по исследованию спектра КЛ в области энергий 10¹¹– 10²¹эВ. При некоторой фантазии можно отметить, что форма энергетического спектра КЛ действительно напоминает ногу человека.

Если умножить спектр КЛ на E^2.5, то при некоторой фантазии он действительно напоминает ногу человека, а точка в районе 3 10¹⁵ эВ – колено. На рисунке также приведены названия экспериментов, в которых получены экспериментальные значения.

Феномен «колена» КЛ – история длительностью 50 лет.

Экспериментальная проверка факта излома энергетического спектра КЛ с ~Е^-2.7 на ~Е^-3.1была произведена многократно, поэтому достаточно быстро факт существования «колена» в спектре КЛ был признанно бесспорным, и этот факт немедленно потребовал своего объяснения. Возможности провести прямое изучение ГКЛ за пределами атмосферы в интересующем диапазоне энергий (10¹⁵10¹⁶ эВ) у исследователей не было, и пока нет – слишком дорого и методически трудно. Поэтому поиск решения последние почти 50 лет происходит на наземных установках «косвенной» методикой ШАЛ.

На сегодняшний день создано множество моделей физической интерпретации факта «колена», но ни одна из них не предоставляет убедительных экспериментальных доказательств. Все существующие модели можно условно разделить на две группы: «ядерно-физическая» и «астрофизическая».

В «ядерно-физической» группе моделей отвергается наличие излома в энергетическом спектре ГКЛ. Экспериментальный результат изменения интенсивности потока ГКЛ, объясняется принципиальным изменением характера ядерного взаимодействия при этих энергиях. Это наиболее ранняя и, пожалуй, наиболее радикальная интерпретация феномена «колена». Предлагались либо радикальные изменения известных механизмов рождения элементарных частиц, либо механизмы рождения новых экзотических элементарных частиц. Однако достоверных доказательств этих утверждений пока не нашли.

Сторонников «ядерно-физической» группы моделей становилось все меньше по мере развития ускорительной физики высоких энергий. В настоящее время ученые научились разгонять на огромных кольцевых магнитах, длиной до 30 км, частицы до энергий 10¹² эВ (лаборатория Э.Ферми, США). Наиболее действенно использование ускорителей-коллайдеров на встречных пучках, когда в кольце ускорителя разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях, и затем эти пучки направляются в лобовое столкновение друг с другом. Взаимодействие встречных пучков с энергией около 10¹² эВ соответствует взаимодействию в лабораторной системе отсчета при энергиях 210¹⁵ эВ. Такой коллайдер функционирует в течение нескольких последних лет, но эффектов, которые могли объяснить «колено» КЛ, пока не наблюдается. Принципиальное изменение характера ядерного взаимодействия отодвинуто в область более высоких энергий. На стадии строительства находится новый гигантский ускоритель частиц нового поколения LHC в ЦЕРН – в Европейском центре ядерных исследований в Швейцарии. Ввод его в эксплуатацию позволит изучать ядерные процессы при энергиях 310¹⁷ эВ. Это позволяет надеяться, что гипотеза об изменении модели взаимодействия, как причине происхождения «колена», будет либо подтверждена, либо окончательно забыта.

В «астрофизической» группе моделей так же нет единства мнений о характере механизмов порождающих «колено» ГКЛ. Существует около 20 гипотез объяснения колена, из которых можно выделить три основные направления:

«Колено» в спектре ГКЛ отражает максимальную энергию протонов, до которой ускоряются КЛ в основных источниках.
Диффузионные модели, в которых излом возникает как следствие распространения, т.е. по дороге от источников до Земли. При этом фоновый спектр ГКЛ, т.е. спектр в источниках имеет чисто степенной вид с единым показателем ~2.5-2.9 во всем диапазоне до 10¹⁸ эВ.
Модель близкого источника, в которой в области колена доминируют частицы из сверхновой или пульсара, находящихся на «близком» расстоянии от Земли – в радиусе сотен парсек (1 парсек ~ 3.26 светового года), которые и определяют вид спектра в области «колена», в других частях Галактики спектр КЛ в этой области энергий выглядит иначе.

Рассмотрим эти гипотезы более подробно.

Колено в спектре ГКЛ как свидетельство ограничения на максимальную энергию ускорения

Существование колена в спектре космических лучей вызвано ограничением на максимальную энергию частиц, ускоряемых в сверхновых, положение колена определяется достаточно резким обрывом спектра протонов при Emax (p) и последующим «вымиранием» ядерных компонент при энергиях в Z раз больше Emax(N)=Z Emax(p), где N  ядро с зарядом Z (такая зависимость естественно возникает, так как все процессы рассеяния и ускорения зависят от жесткости частицы, которая при больших энергиях равна E/Z). Схематически поведение различных химических компонент изображено ниже. А это означает, что в области излома, который определяется «вымиранием» протонов при Emax =3×10¹⁵ эВ до области «вымирания» ядер железа Emax=26×3×10¹⁵ ~ 10¹⁷ эВ, состав космических лучей должен достаточно резко утяжеляться. Некоторый вклад в область выше 10¹⁷ могут давать и ядра тяжелее железа, как было показано в ряде работ, но их уже на 4 порядка меньше, чем ядер железа.

Феноменологическая модель Й. Хёрандела, показывающая, как могут гипотетически выглядеть колена в спектрах отдельных химических элементов с разными зарядами, указанными в правом верхнем углу картинки.

Колено как следствие распространения КЛ в Галактике.

Вторая гипотеза объяснения колена связана не с процессами в источниках, а как раз с описанными выше процессами распространения КЛ в Галактике, диффузией частиц в космическом пространстве. При этом предполагается, что спектр в источниках имеет универсальное степенное распределение до энергии 10¹⁸ эВ с единым показателем. (Конечно, слабость этой гипотезы в том, что этот единый степенной спектр в таком широком диапазоне энергий тоже надо как-то объяснять). В этой модели глобальное тороидальное магнитное поле Галактики разрушает случайное рассеяние частиц на случайных магнитных неоднородностях и вызывает систематический дрейф частиц (Холловскую диффузию). Этот дрейф быстро растет с энергией, он начинает доминировать при энергии частиц, близкой к 10¹⁵ эВ, вызывая более быстрое истекание частиц из Галактики, и приводя к плавному изменению показателя наклона различных ядерных компонент. В каждой зарядовой компоненте точка излома будет смещаться в сторону больших энергий пропорционально Z. Еще более сложную картину дает учет сильной неоднородности космической среды – в этом случае существует принципиальная возможность пролететь через всю Галактику, вообще не зацепившись ни за какую магнитную неоднородность (так называемые прыжки Леви). Такая модель дает видимый излом спектра, правда очень плавный, как видно на рисунке.

Так должны вести себя различные ядра КЛ в области колена, если предположить, что колено является следствием распространения КЛ в сложной межзвездной среде.

Модель близкого источника

А. Ерлыкин и А. Вольфендейл обратили внимание на то, что в очень многих экспериментах с ШАЛ форма спектра в точке колена просто выглядит как пик. Так как наблюдаемый спектр является усредненной величиной от множества взрывов сверхновых, то объяснить резкую форму очень сложно. Поэтому авторы предположили, что спектр КЛ в источниках имеет универсальное степенное распределение (на рисунке обозначено, как background), а в точку излома дает вклад близкорасположенная сверхновая, генерирующая КЛ, которые практически не искажаются процессами распространения в Галактике, а значит, как следует из стандартной теории, имеют очень пологие спектры с показателем 2.1. При этом основной вклад в точку излома дают ядра группы углеродакислорода, такая модель объясняет резкую форму колена, как это видно из рисунка.

На картинке показано, из чего должно «состоять» колено, в случае существования близкого источника

Почему важно измерять химический состав?

Чтобы проверить, какие же гипотезы верны, абсолютно необходимо измерить химсостав космических лучей в этой переходной области 10¹³-10¹⁵ эВ. А это очень трудно сделать с помощью установок ШАЛ, поскольку определение заряда частицы, необходимое для выявления изломов в спектрах различных ядерных компонент, является очень неоднозначной процедурой, зависящей от модели множественного рождения вторичных частиц при столкновении первичной частицы с ядрами атомов атмосферы, в результате чего и образуется каскад частиц. За последние 50 лет были созданы десятки новых установок по изучению феномена колена в спектре Галактических космических лучей, основанных на изучении различных компонент ШАЛ (адронов, мюонов, черенковского света, а не только электронной компоненты ШАЛ, как в первых работах) что позволило определять не только энергию, но и (с некоторой точностью) определять природу первичной частицы, образовавшей ШАЛ. Однако попытки построить спектры различных групп ядер в области колена демонстрируют такой колоссальный разброс в данных, что это вызывает вопрос о принципиальной возможности решения задачи с помощью ШАЛ. Например, ниже на рисунке представлен химсостав в области колена, полученный на разных установках и представленный на конференции по космическим лучам в 2003 г. Обычно он представляется как средний логарифм массового числа ядра в зависимости от энергии.

Среднее массовое число ядер космического излучения, полученное в разных экспериментах ШАЛ(BASJE, CASA-BLANKA, CASA-DICE, KASCADE, EAS-TOP) и в двух прямых экспериментах RUNJOB, JACEE

Такой колоссальный разброс данных при энергии 310¹⁵ эВ: от =1 ( то есть только протоны и гелий ) до =4 ( то есть почти только железо в этой области) свидетельствует о том, что абсолютно необходимы эксперименты, где заряд частицы измеряется прямыми методами.

Прямые эксперименты

Как видно из приведенных рисунков, сделать вывод о точке излома отдельных ядерных компонент по данным ШАЛ практически невозможно.

Но, может быть, можно непосредственно измерить спектр ПКИ в этой области энергий. Что дают прямые измерения спектров?

Измерения спектров различных ядер прямыми методами в области перед коленом требует либо очень большой экспозиции установок – годы (что возможно только на спутниках), либо большой площади установок, в связи с катастрофически уменьшающейся интенсивностью этих частиц с ростом энергий. Впервые спектр всех частиц в области, примыкающей к колену, был измерен прямым методом на спутниках Протон в Советском Союзе 30 лет назад в эксперименте, проведенном под руководством Н.Л.Григорова. В 80-е годы был проведен спутниковый эксперимент Сокол. К настоящему времени к области излома вплотную подошли только два прямых эксперимента, в которых экспонируются эмульсионные камеры на высотных аэростатах: JACEE (американо-японский эксперимент) и RUNJOB (русско-японский эксперимент), направленные на изучение химсостава космических лучей. Однако эти два эксперимента дали очень похожие спектры протонов (см. рис. ниже), но сильно различающиеся спектры ядер гелия. Данные по более тяжелым ядрам имеют слабую статистическую обеспеченность за счет довольно высокого энергетического порога применяемой методики. Большие надежды возлагаются на эксперимент ATIC, который также является аэростатным экспериментом, однако в отличие от RUNJOB и JACEE имеет более низкий порог регистрации, что позволяет связать данные, полученные ранее при низких энергиях с данными RUNJOB и JACEE.

Сводные данные по потокам протонов и гелия, представленные на Международной конференции по космическим лучам в 2005 г,.в Пуне (Индия) в докладе коллаборации RUNJOB.

Методы регистрации частиц высоких энергий

Как уже упоминалось, главное преимущество прямых экспериментов – это возможность измерить заряд падающей частицы. Измерение заряда частицы обычно базируется на измерении ионизационных потерь релятивистской частицы при прохождении ее через вещество, эти потери пропорциональны квадрату заряда частицы и практически не зависят от ее энергии. На этом принципе основано множество ядерно-эмульсионных, сцинтилляционных или полупроводниковые детекторов заряда. Принципиальных факторов, ограничивающих использование такого вида счетчиков, нет, а возникающие сложности построения реальной аппаратуры и точность в измерениях заряда определяются, главным образом, ограничениями, накладывающимися из условий полетного эксперимента.

Значительно сложнее построить за пределами атмосферы детектор энергии для частиц с энергиями Е >10¹² эВ. Если для частиц КЛ при относительно невысоких энергиях Е<10¹² эВ можно использовать такие методики как методика пороговых черенковских счетчиков, методика RICh-детектора, методика магнитного масс-спектрометра, то при переходе к более высоким энергиям возникают принципиальные пороговые эффекты, ограничивающие их применения. Поэтому из всего богатого арсенала методик современной экспериментальной физики для проведения энергетических измерений одновременно для всех типов ядер единой методикой, (это очень важно при определении соотношения их интенсивностей), в широком энергетическом диапазоне (несколько порядков) остается лишь методика ионизационного калориметра (ИК).

Методика ИК впервые была предложена и развита советскими физиками Н.Л.Григоровым, В.С.Мурзиным, И.Д.Рапопортом в середине прошлого века для исследования космических лучей, а в настоящее время ионизационные калориметры являются универсальными приборами для измерения энергии высокоэнергичных частиц не только в КЛ, а также и на современных ускорителях. Техническое воплощение современных ИК может быть очень сложным, но идея осталась простой, и она проиллюстрирована на рисунке: первичная частица входит в плотное вещество (например, железо, свинец или вольфрам), в веществе происходят многочисленные ядерные и электромагнитные взаимодействия, которые рождают целый каскад вторичных частиц. Если глубина вещества достаточна, то вся кинетическая энергия первичной частицы перейдет в каскад вторичных частиц, а они, в свою очередь, потеряют энергию на ионизацию и в итоге на нагрев плотного вещества (в кинетическую энергию атомов). Плотное вещество ИК обычно прослаивается датчиками частиц, регистрирующих сигнал, пропорциональный ионизационным потерям каскада. По суммарному сигналу от датчиков восстанавливается энергия первичной частицы с точностью до нескольких процентов в идеальном случае, если калориметр имеет очень большую глубину. Успехи в экспериментальной и теоретической физике высоких энергий за последнее время позволяют считать процессы развития каскада достаточно хорошо изученными, по крайней мере, до энергий, достигнутых на современных ускорителях (Е~10¹⁵ эВ). Поэтому часто для определения энергии используются тонкие калориметры, в которых не ставится задача фиксации целиком каскада вторичных частиц, а регистрируется только его начало, поскольку число частиц на небольшой глубине развития каскада также почти пропорционально энергии первичной частицы. Глубина ИК определятся возможностями полетного эксперимента и требуемой точностью в измерениях (например, в случае регистрации каскада до глубины его максимального развития точность составляет около ~50%).

Иллюстрация работы методики ионизационного калориметра. Синие полосы - это слои плотного вещества. Ионизационные потери в данном случае фиксируются искровой камерой, которая позволяет увидеть трек заряженной частицы. На фотографии видно начало каскада, его максимум и постепенное затухание.

Главная проблема применения методики ИК при высоких энергиях – это очень массивные установки. Ведь интенсивность частиц падает как E^-2.7, поэтому чтобы зарегистрировать достаточное количество частиц, необходимо увеличение геометрического фактора аппаратуры, который пропорционален площади прибора. Именно огромные веса планируемых приборов стали критичным параметром, ограничивающим изучение КЛ с энергиями более 10¹⁴ эВ в космических экспериментах. Для продвижения в прямых исследованиях с КЛ в область Е ~10¹⁵ эВ с помощью даже очень тонких ИК необходимо вывести на орбиту на несколько лет не менее 1.5-2.0 тонны полезной нагрузки. Для того, чтобы перевести исследования КЛ в область энергий 10¹⁵ - 10¹⁶ эВ, потребуется уже аппаратура с массой более 10 тонн. Теоретически современный уровень развития ракетно-космической техники позволяет создать такой тяжелый космический комплекс научной аппаратуры. Существует несколько интересных проектов такого типа аппаратуры, но ни одно государство (содружество государств) не решилось пока это осуществить.

Blog

М. И. Панасюк, профессор, д ф. м н

Содержание