ШИРОКИЕ АТМОСФЕРНЫЕ ЛИВНИ

ШИРОКИЕ АТМОСФЕРНЫЕ ЛИВНИ

-потоки лепто-нов (электронов, мюонов) и адронов, возникающие в атмосфере в результате взаимодействия первичных космич. частиц сверхвысокой энергии (> 10⁵ ГэВ) с ядрами атомов воздуха. Поперечные размеры Ш. а. л. достигают неск. км. Ш. а. л. обнаруживаются и изучаются с помощью систем детекторов частиц, расположенных в горизонтальной плоскости и включённых в схему совпадений (см. Совпадений метод). Развиты также методы регистрации черенковского и ионизац. свечения атмосферы под воздействием Ш. <а. <л. и радиоизлучения Ш. <а. <л. Ливни впервые обнаружены П. Оже (P. Augez) и P. Маза (R. Maze) в 1938 с помощью системы газоразрядных детекторов, расположенных на одной плоскости на расстояниях ~100м друг от друга. В 1949 на Памире были зарегистрированы Ш. <а. <л. при раздви-жении детекторов до 1 км.

Источником Ш. а. л. являются электронно-ядерные ливни, порождаемые космич. протонами и более тяжёлыми ядрами с последующим развитием электронно-фотонного и ядерного каскадов в атмосфере. Углы вылета частиц в первом акте взаимодействия адрона, вызывающего Ш. <а. <л., малы: q10^-5 рад. Поэтому развитие каскада происходит по направлению движения первичной частицы и Ш. а. л. имеет осевую симметрию относительно этого направления (небольшие отклонения от осевой симметрии могут возникать под влиянием магн. поля Земли). Плотность частиц максимальна около оси и уменьшается с расстоянием. С расстоянием от оси меняется и состав частиц в ливне. Вблизи оси 98% всех частиц составляют электроны (и фотоны) с небольшой примесью адронов высокой энергии. На расстояниях ~200 м электроны составляют лишь 80% потока, а остальные 20% -мюоны, к-рые появляются в ливне из-за распада заряж. пионов и каонов. Возникнув на больших высотах, где атмосфера разрежена, мюоны слабо поглощаются при дальнейшем движении к поверхности Земли и успевают до уровня наблюдения отойти на значит. расстояние от оси ливня.

Рнс. 1. Диск, образованный частицами широкого атмосферного ливня, приближается к установке под углом q; Д-детекторы.

Ш. а. л. можно представить в виде тонкого диска, состоящего из частиц, движущихся со скоростью, близкой к с, по направлению первичной частицы (рис. 1). В центре толщина диска минимальна (~ 1,5 м), а на больших расстояниях увеличивается и на расстоянии 100 м от оси может достигать 50 м. В переднем фронте диска движутся электроны, частицы большей массы запаздывают и населяют "хвост" Ш. а. л. Фронт диска имеет кривизну, радиус к-рой на расстоянии 200 м от оси ~ 1,5 км.

В электронно-ядерном ливне, генерированном первичной космич. частицей, часть её энергии передаётся нейтральным пи-мезонам p⁰. Распадаясь, они дают начало электронно-фотонному каскаду. Заряж. пионы после распада образуют мюоны и нейтрино, к-рые достигают поверхности Земли. Ок. половины энергии сохраняется у адрона высокой энергии, к-рый порождает следующий электронно-ядерный ливень. Этот процесс повторяется многократно. В земной атмосфере укладывается до десятка пробегов ядерного взаимодействия l (рис. 2). Совокупность электронно-фотонных каскадов, а также мюонов и др. частиц от всех последовательных взаимодействий и образует Ш. а. л.

Прямые данные о ядерном составе космич. лучей и характеристиках элементарного акта взаимодействия в области сверхвысоких энергий отсутствуют. Однако сравнение результатов расчёта с экспериментом позволяет сделать заключения об изменениях характеристик элементарного акта и ядерного состава космич. лучей с ростом энергии.

Ряд особенностей Ш. а. л. может быть понят на основе теории электронно-фотонных ливней. Напр., поперечный размер электронной компоненты Ш. а. л. определяется ку-лоновским рассеянием электронов и, следовательно, его среднеквадратичный радиус =0,9 r₀, где r₀ - мольеровский радиус, r₀ = 9,5 г/см ² (70 м на уровне моря). Среднеквадратичный радиус Ш. а. л., выраженный в единицах r₀, не зависит от высоты (радиус, выраженный в метрах, уменьшается с глубиной в атмосфере). Величина не зависит и от энергии первичной частицы, вызвавшей ливень, но реальный размер ливня, т. е. расстояние от оси, на к-ром ещё существуют коррелированные частицы, растёт с энергией. При предельно высоких энергиях (10¹¹ ГэВ) ливень покрывает площадь в сотни км ².

Рис. 2. Ядерный каскад в атмосфере. Цифрами показа ны точки последовательных взаимодействий адрона высокой энергии; ЭФК - электронно-фотонный каскад, t₀ - радиационная единица длины.

Пространственные характеристики ливня изучаются в ф-ции расстояния от оси ливня r, выраженного в мо-льеровских единицах х = r/r₀. Напр., плотность частиц , где N,- число частиц (электронов) в ливне на уровне наблюдения, f_e( х) - нормированная ф-ция пространственного распределения, не зависящая от числа частиц N_e. Каскадная теория приводит к зависимости

где s - параметр, характеризующий "возраст ливня", C(s) меняется от 0,16 до 0,4 при изменении s от 0,5 до 1,5. Особенностью теории, учитывающей пространственное распределение частиц (а не только продольное развитие ливня), является рост s при уменьшении х.

Рис. 3. Круговая установка для регистрации электронной компоненты ливня; n -сцинтилляционные детекторы или группы годоскопических счётчиков.

При s2 плотность частиц перестаёт меняться с расстоянием. Область, где существует такой режим (r <= 1 м), наз. стволом ливня. Сравнение теории с экспериментом позволяет определить s. Каждый из детекторов Д на рис. 3 измеряет плотность частиц и время прихода фронта ливня с точностью до нc. Распределение плотности частиц определяет положение максимума плотности, т. е. оси ливня, а по времени запаздывания прихода фронта в разные детекторы вычисляется угол q наклона оси. При этом оказалось, что s составляет 1,2 на уровне моря и 1,1 на высоте гор. Столь слабая зависимость s от глубины - следствие электронноядерной природы каскада. Адроны высокой энергии, идущие в стволе, всё время подпитывают ливень и замедляют его "старение". На ядерные процессы указывает и медленное поглощение электронов ливня в атмосфере. В глубине атмосферы электроны Ш. а. л. движутся в равновесии с ад-ронами.

Зная распределение плотностей частиц в установке и предполагая осевую симметрию ливня, можно найти полное число частиц (электронов) в ливне на уровне наблюдения:

Можно также построить спектр ливней по числу частиц К (N_e, х )на разных глубинах x уровня наблюдения в атмосфере (рис. 4). На уровне моря этот спектр имеет вид

Эта зависимость установлена до N_e~10⁷.

Рис. 4. Спектры ливней по числу частиц на раз личных глубинах в атмосфере: 1) x = 500 г/см ², 2) x = 700 г/см ², 3) х=1000 г/см ² (уровень моря).

Используя модельные расчёты продольного развития ядерного каскада в атмосфере и измеренное число электронов N_e, можно оценить энергию первичной частицы, вызвавшей ливень. В случае чистого электронно-фотонного каскада это возможно. Однако в электронно-ядерном ливне существуют значит. колебания числа частиц (при фиксир. энергии), вызванные флуктуациями глубины первого акта взаимодействия и доли энергии, передаваемой вторичным частицам. С учётом этих флуктуации можно установить связь между N_e и ср. энергией первичной частицы. Это позволило Г. Б. Христиансену с сотрудниками сделать вывод об изменении спектра первичного космич. излучения для энергий ~4 · 10⁶ ГэВ.

Изучение Ш. а. л. ведётся с помощью комплексных установок, включающих систему детекторов для регистрации электронов, по распределению к-рых определяют положение оси Ш. а. л., угла её наклона q, числа частиц. Др. система детекторов служит для измерения адронной и мю-онной компонент, а также для регистрации черенковского свечения атмосферы под воздействием Ш. а. л. (рис. 5). Измеряется не только число частиц разного сорта, но и их энергия и пространственное распределение. Электроны макс. энергии сосредоточены вблизи оси, где их ср. энергия = 5 ГэВ, а их ср. энергия по всему ливню 0,2 ГэВ. Поэтому полная энергия электронно-фотонной компоненты на уровне моря =0,2 N_e ГэВ. Адроны высокой энергии ( ~ 10³ ГэВ) сосредоточены в стволе Ш. а. л. на расстоянии 1-2 м от оси. Их свойства изучают с помощью ионизационных калориметров, фотоэмульсионных и рент-геноэмульсионных камер. Число адронов с > 1 ГэВ не превышает 1 % от числа электронов, а суммарная энергия примерно равна энергии электронно-фотонной компоненты (= 0,15 N_e ГэВ). Эта энергия обеспечивает непрерывную подпитку электронно-фотонного каскада.

Рис. 5. Комплексная установка для изучения широкого атмосферного ливня на Тянь-Шане: 1- детектор электро нов (до 45 м ²); 2 - детектор мюонов (45 м ²); 3- детектор времени прихода частиц ливня; 4 - сцинтилляционные детекторы (64 м ²); 5 - детекторы положения ствола лив ня; 6 - годоскопические счётчики; 7 -ионизационный калориметр; 8 -детекторы для регистрации черенковского излучения ливня; 9- подземный калориметр; 10 - подземный детектор мюонов.

Мюоны с энергией >300 МэВ регистрируются с помощью детекторов, экранированных толстыми слоями Pb (до 20 см); беззазорные магниты из намагниченного железа позволяют измерять энергию мюонов до 500 ГэВ и их электрич. заряд (рис. 6). Усреднённое пространственное распределение мюонов 10⁵<N_m< 10⁷ имеет вид (r в м)

Полная энергия мюонов, определяемая по их спектру на уровне моря, превышает энергию электронов и адронов, = 8,7^.N_e^0,8 ГэВ.

Рис. 6. Подземный магнитный спектрометр (МГУ) для изучения мюонов высокой энергии: 1 - искровые ка меры; 2- сцинтилляционные детекторы; 3- обмотка электромагнита; 4 - намагниченное железо; m -трек мюона.

Одной из компонент Ш. а. л. является черенковское излучение. Коэф. преломления света n в воздухе мал: n-1 =h = 2,9·10^-4 ехр (-h/7,1), h - высота над уровнем моря в км. Поэтому угол вылета и кол-во излучаемых фотонов N _ф. малы: q _макс , dN _ф/dl=780h см ^-1. На высоте 20 км образуется лишь 0,1 фотон/см. Однако число частиц в ливне велико, и кратковременная вспышка черен-ковского излучения (см. Черенкова- Вавилова излучение} от этих частиц может (при благоприятных условиях) превосходить флуктуации свечения ночного неба. Для регистрации черенковского излучения Ш. а. л. используются детекторы с фотоумножителями (рис. 7). Система таких детекторов позволяет вычислить полное кол-во фотонов от черенковской вспышки.

Рис. 7. а- Детектор большой площади с малым те лесным углом; б- широкоапер гурный детектор ма лой площади; 1 - фотоумножитель, 2- параболи ческое зеркало.

В отличие от детекторов частиц, черенковские детекторы излучения позволяют измерить полное число фотонов, образовавшихся во всей атмосфере, т. е. использовать атмосферу в качестве калориметра. Полное число испущенных фотонов

где a - усреднённая доля частиц с энергией, превышающей пороговую для черенковского излучения (a = 0,4), a t- путь, выраженный в лавинных единицах (от точки взаимодействия до уровня наблюдения x₀). В результате подстановки численных значений a и dN _ф(t)/dt

T. к. энергия первичной частицы, выделившаяся в атмосфере, равна (e - критич. энергия), то E = 3,25 · 10^-5 Q ГэВ. Чтобы получить полную энергию первичной частицы , к этой величине необходимо добавить энергию, поглощённую ниже уровня наблюдения.

С помощью комплексных установок получена связь между числом частиц и энергией первичной частицы , измеренной по черенковскому излучению. Для высоты Памира (4000 м над уровнем моря) =80,7 N_e^0,8 ГэВ. Это позволило установить, что излом спектра первичного кос-мич. излучения (рис. 4) происходит при энергии 4·10 ⁶ ГэВ, а наклон степенного спектра изменяется от 1,8 при < 4·10⁶ до 2,3 при большей энергии.

Энергия радиоизлучения Ш. а. л. значительно меньше черенковского излучения в видимой области. Обусловлено это тем, что электроны и позитроны вызывают поляризацию атмосферы противоположного знака и поле скомпенсировано, т. к. расстояние между частицами меньше длины волны излучения. Излучение всё же возникает вследствие существования d-электронов (т. е. электронов высокой энергии, появляющихся при ионизации атомов заряж. частицами Ш. а. л.) и аннигиляции позитронов, а также из-за поляризации всего ливня в магн. поле Земли. Регистрация ведётся на частотах в десятки МГц. Радиоизлучение наблюдается на расстояниях в неск. км от ливня, что значительно увеличивает эфф. площадь установки и позволяет продвинуться в область предельно высоких энергий. Исследования проводились в Москве, Якутске, Аделаиде (Австралия) и др.

В США (в Университете Юта) изучается ионизац. свечение Ш. а. л.- свечение возбуждённых атомов азота. Установка включает 67 зеркал диаметром ок. 1,5 м и 880 фотоумножителей. Каждый фотоумножитель регистрирует свет в пределах телесного угла 6,57^.10^-3 ср, а в сумме под наблюдением находится вся верх, полусфера. Такая структура напоминает фасеточный глаз насекомого и получила название "мушиный глаз". Она позволяет регистрировать траекторию ливня в атмосфере, а по яркости каждого участка проследить за продольным развитием ливня. Время высвечивания 10^-8 с, l = 250-450 нм. Интенсивность свечения возбуждённых атомов мала, но, в отличие от направленного черенковского излучения, оно изотропно и на расстояниях более 5 км от оси превалирует над черенковским.

Использование Ш. а. л. позволяет найти верх. границы энергетич. спектра космич. излучения и исследовать точечные источники космич. излучений, анизотропию первичного излучения, установить ядерный состав космич. лучей. В России и США разработаны проекты установок для изучения Ш. а. л. предельно высокой энергии площадью в тысячи км ².

Лит.: Христиансен Г. Б., Куликов Г. В., Фомин Ю. А., Космическое излучение сверхвысокой энергии, M., 1975.

В. С. Мурзин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.