Космические лучи и реликтовое излучение во Вселенной

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВО ВСЕЛЕННОЙ Г. Е. Кочаров Открытие космических лучей, подобно многим открытиям, было сде-лано случайно в процессе изучения другого явления. В 1911 году молодой австрийский физик Виктор Гесс поднял ионизационную камеру на воздуш-ном шаре с целью измерения коэффициента поглощения гамма-излучения, испускаемого земной корой. Вопреки ожиданиям скорость ионизации с уда-лением от земной

поверхности не только не уменьшилась, как ожидал Гесс, а даже увеличилась. В 1912 году Гесс совершил еще семь полетов на воздуш-ных шарах. Первый из них был 17 апреля 1912 года во время частичного сол-нечного затмения. Уменьшения скорости ионизации не было, и Гесс заклю-чил, что Солнце не является источником ионизации. Седьмой знаменитый полет начался 7 августа 1912 года в 6 ч 12

мин утра около города Ауссита (Австрия). Была достигнута рекордная высота 5350 м. При подъеме до 1000 м было небольшое уменьшение скорости ионизации, обусловленной поглоще-нием гамма-излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. После этого ионизация окружающего воздуха стала увеличиваться с высотой. Таким образом, шар приближался к источнику ионизации, а не удалялся от него.

Гесс установил, что на высоте 5 км скорость ионизации была уже в че-тыре раза больше, чем на уровне моря. В результате тщательного анализа полученных данных Гесс пришел к выводу, что излучение большой проникающей способности входит в атмо-сферу сверху. Открытое излучение Гесс назвал ультра-гамма-излучением. В 1925 году американский физик Роберт Милликен предложил переименовать это излучение в космические

лучи. Нобелевскую премию Гесс получил в 1936 году, то есть через 24 года после открытия космических лучей. По оп-ределению, Нобелевская премия должна присуждаться за новейшие дости-жения. Задержка была обусловлена как наличием сомнений в существовании космических лучей, так и необходимостью понимания важности этого нового явления для физики и астрофизики. В 20-е годы Р. Милликен и В. Кольхерстер, интенсивно занимающиеся космическими лучами, изучали, как

они поглощаются в атмосфере Земли, воде и других веществах. Но что собой представляли эти лучи, никто не знал. Не было в руках ученых, исследующих космические лучи, прибора, пригод-ного для изучения этого явления, хотя он уже и существовал. Это была каме-ра Вильсона - один из самых замечательных физических приборов, впервые позволивший осуществить то, что любой физик мог бы посчитать несбыточ-ной фантазией: увидеть

треки отдельных элементарных частиц. В 1923 году Д.В. Скобельцын начинает заниматься эффектом Компто-на, то есть изучением характеристик электронов, выбиваемых гамма-лучами радиоактивных веществ, в лаборатории, которой руководил его отец в Ле-нинградском политехническом институте, а также в Физико-техническом ин-ституте, где он тогда работал.

Для этой цели он решил использовать камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. По современным масштабам маг-нитное поле было слабым, всего 1000 эрстед, но этого было вполне доста-точно для изучения эффекта Комптона. С помощью разработанной им мето-дики Д.В. Скобельцыну впервые удалось непосредственно наблюдать и фо-тографировать пути электронов отдачи, получающиеся в результате столкно-вения гамма-квантов с электронами атомов газа, наполнявшего камеру.

Энергия электронов измерялась по отклонению их треков в магнитном поле. Такие исследования не только подтвердили гипотезу о квантовой при-роде эффекта Комптона, но и позволили эффективно применять это явление для спектроскопии гамма-лучей. В ходе работ было сделано одно интересное наблюдение, которое никак нельзя было объяснить за счет радиоактивных веществ. Среди следов в камере были и такие, которые принадлежали части-цам, значительно превосходящим

по энергии все остальные. И самое главное, что они появлялись группами. Проанализировав треки этих частиц, Д.В. Скобельцын пришел к заключению, что подобные частицы могут создавать как раз такую ионизацию, которую создают космические лучи. Для того чтобы обнаружить такое редкое явление, как появление в ка-мере космической частицы на фоне многих следов других частиц, требова-лось большое экспериментальное искусство.

И только необычно точные из-мерения импульсов частиц позволили надежно отделить следы частиц кос-мических лучей от следов электронов отдачи. Таким образом, только через 15 лет после работ Гесса и Кольхерстера были установлены виновники иони-зации молекул атмосферы Земли - космические частицы. Но Д.В. Скобель-цын открыл не только заряженные частицы, приходящие из Космоса, но и то, что они приходят к поверхности Земли группами - ливнями.

И сейчас, через 70 лет, можно сказать, что физика высоких энергий ведет свое начало именно от этих работ. Результаты исследований Д.В. Скобельцына вызвали большой резо-нанс в научном мире того времени. Один из создателей квантовой механики - В. Гейзенберг детально обсуждал результаты Д.В. Скобельцына в одной из своих развернутых статей и строил на их основе новые гипотезы. Космиче-ские лучи, генерированные в естественных ускорителях частиц, сыграли ре-шающую роль в развитии

физики высоких энергий и элементарных частиц. Даже сейчас, при наличии могучей армии ускорителей частиц, космические лучи не оказались "безработными". Более того, естественные ускорители частиц, позволяющие диагностировать физические процессы при ультравы-сокой энергии и на ультрадалеких расстояниях, регулярно преподносят сюр-призы и загадки в физике и астрофизике. Ниже будет уделено основное вни-мание космическим лучам ультравысокой энергии (Е >

1020 эВ), которые в рамках современных представлений не должны были дойти до земной атмо-сферы. Но они дошли. Почему? О происхождении космических лучей В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхожде-нии космических лучей. Ясно одно, что кроме Солнца, которое является ис-точником космических лучей относительно низкой энергии, на небе есть ис-точники, обеспечивающие ускорение частиц до очень больших энергий.

В целом проблема происхождения космических лучей включает механизм ус-корения и распространения в различных условиях. На основе многолетних исследований с использованием спутниковой и баллонной техники, назем-ных экспериментов установлены следующие основные характеристики га-лактических космических лучей. 1. Плотность энергии космических лучей составляет 1 эВ в 1 см3. Эта величина сравнима с плотностью энергии света звезд, чернотельного излуче-ния, турбулентного движения

межзвездного газа, магнитного поля в Космо-се. Таким образом, космические лучи являются равноправными партнерами в космическом сообществе и соответственно их вклад в динамику космических явлений является весомым. 2. Дифференциальный энергетический спектр галактических космиче-ских лучей степенной: N(E ) ~ E - g, где g = 2,7, от низких энергий до 1015 эВ. Для энергии больше 3 • 1015 эВ в спектре имеются важные особенности, ко-торые будут рассмотрены ниже.

3. Вплоть до очень высоких энергий не обнаружена анизотропия. 4. Поток галактических космических лучей практически не меняется во времени. 5. Наиболее вероятным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Основа такого заключения - энергетиче-ские соображения. Основополагающие идеи и конкретные теоретические разработки принадлежат

В.Л. Гинзбургу. Атмосфера земли - защитный экран и детектор космических лучей сверхвысокой энергии Земная атмосфера выполняет две важные функции. Во-первых, она бе-рет удар на себя и спасает людей от облучения космическими лучами. Из-вестно, что люди, живущие в горных районах или часто летающие самоле-том, получают значительную дозу радиации. Во-вторых, атмосфера транс-формирует космические лучи высокой и сверхвысокой энергии в частицы и излучения низких энергий, которые регистрируются традиционными назем-

ными детекторами. Теория прохождения космического излучения через атмосферу Земли базируется на идее, сформулированной в 1949 году Г.Т. Зацепиным, о суще-ствовании ядерно-каскадного процесса. Установлено, что при взаимодейст-вии космических лучей с ядрами первичный нуклон теряет всего часть своей энергии на генерацию вторичных частиц. Второе взаимодействие нуклона почти не отличается от первого.

Генерированные при высоких энергиях пио-ны не успевают распасться и тоже участвуют в ядерных процессах. Толщина атмосферы достаточно большая и имеет место десять последовательных столкновений первичной частицы. Пионы распадаются и рождаются элек-тронно-фотонные каскады. В конечном итоге в атмосфере образуется целая лавина процессов. При энергии первичной частицы 1014 эВ или более число частиц в ливне очень велико, так что частицы

могут расходиться до расстоя-ний, достигающих сотен метров и больше. Такой воздушный ливень называ-ют широким атмосферным ливнем (ШАЛ). Систематические экспериментальные исследования космических лучей сверхвысокой энергии начались в конце 50-х годов XX столетия после запус-ка больших установок по измерению ШАЛ в Волкано-Рэнч (США) и Москве (установка МГУ).

Выполненные на этих установках измерения выявили час-тицы с энергией 1017-1018 эВ в составе космических лучей и их крутой энер-гетический спектр. Впоследствии были введены новые большие установки в различных странах мира, что позволило получить детальную информацию о спектре космических лучей сверхвысокой энергии и их анизотропии. Косми-ческие лучи сверхвысокой энергии Е > 1017 эВ, скорее всего, имеют внега-лактическую природу из-за трудности их удержания галактическими

магнит-ными полями. О распространении космических лучей сверхвысокой энергии от источника до солнечной системы В 1961 году Бруно Понтекорво и Я.А. Смородинский сформулировали гипотезу о том, что вещество образовалось на плотном фоне нейтрино и ан-тинейтрино. Во время флуктуации плотность энергии нейтрино должна была быть намного больше плотности энергии возникшего вещества. Это означает, что в настоящее время во Вселенной должны находиться остатки фона.

Кро-ме того, нейтрино, непрерывно образующиеся за счет различных ядерных ре-акций, накапливаются, так как во Вселенной они практически не поглощают-ся. Нейтрино, как и любая материя, должны создавать вокруг себя гравита-ционное поле, искривлять пространство и влиять на динамику развития Все-ленной. Я.Б. Зельдович и Я.А. Смородинский в 1961 году предложили метод оценки плотности энергии, заключающийся в том, что при известном совре-менном состоянии

Вселенной плотность всех видов материи определяет прошлое Вселенной. Различные проявления нейтринного моря очень активно обсуждались в начале 60-х годов. В частности, Б.П. Константинов и автор настоящих строк пришли к выводу о возможном обрыве формы энергетического спектра кос-мических лучей сверхвысокой энергии (больше 1017 эВ) за счет взаимодейст-вия с нейтринным морем во Вселенной. Вскоре был обнаружен реликтовый фон фотонов во

Вселенной и стало ясно, что спектр космических лучей сверхвысокой энергии должен сильно обрываться именно за счет взаимодей-ствия с фотонами, если источник космических лучей находится достаточно далеко. Возможность искажения спектра космических лучей за счет взаимо-действия с нейтринным фоном упомянута в данной статье не только с точки зрения истории развития обсуждаемой проблемы о космических лучах сверхвысокой энергии. Как будет показано ниже, нейтринное излучение пре-тендует на "монополию над космическими

лучами сверхвысокой энергии". Сейчас уже обсуждается идея о том, что не протоны являются представите-лями космических лучей сверхвысокой энергии, а именно нейтринное излу-чение. Эта далеко не стандартная идея была предложена еще в 1968 году В.С. Березинским и Г.Т. Зацепиным. Здесь же хочется отметить также, что Г.Т. Зацепин первым (в 1951 году) сформулировал идею о том, что космические лучи сверхвысокой энергии

должны терять энергию при взаимодействии с фотонами низких энергий (на примере фотонов солнечного излучения). Эффект Грейзена, Зацепина и Кузьмина и форма энергетического спектра космических лучей в области сверхвысокой энергии Вскоре после обнаружения фона реликтовых фотонов Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин и К. Грейзен показали, что наличие реликтовых фотонов долж-но привести к дефициту потоков космических лучей в области сверхвысокой энергии (Е >

1019 эВ). Эта фундаментальная идея базируется на том, что ус-корять частицы столь высокой энергии в Галактике чрезвычайно трудно, а в радиогалактиках и квазарах такие энергии сравнительно легко достижимы. Однако возникает трудность в распространении таких частиц в межгалакти-ческом пространстве. Из-за столкновений протонов с реликтовым излучени-ем (Т = 2,7 К) частицы сверхвысокой энергии должны тормозиться, то есть энергетический спектр должен становиться

более крутым при энергии более 1019 эВ. Зарегистрированные протоны с энергией выше 3 • 1020 эВ не могут иметь возраст более 108 лет, то есть источник должен находиться не далее 1026 см. Поскольку частицы с такой большой энергией практически не от-клоняются в галактических и межгалактических магнитных полях, направле-ние на источник известно. Однако подходящего источника в таком направле-нии нет.

Фундаментальная важность обсуждаемой проблемы неизбежно приве-ла к огромному интересу как теоретиков, так и экспериментаторов. Рис. 1. Рассмотрим теперь новейшие экспериментальные данные, полученные на установке "Акено" за интервал времени с февраля 1990 по октябрь 1997 года. Площадь этой установки ШАЛ составляет 100 км2, и достигнуто наи-большее время экспозиции по сравнению с остальными установками ШАЛ. Установка состоит из 111 детекторов, каждая площадью 2,2 м2; расстояние

между детекторами 1 км; ошибка измерения полной энергии составляет ~ 20%. Полученный энергетический спектр, умноженный на Е3, представлен на рис. 1. Штриховая кривая отражает энергетический спектр внегалактических источников, распределенных однородно во Вселенной. Всего событий с энергией более 1020 эВ - шесть, и это свидетельствует о том, что вопреки ожиданиям обрезания спектра из-за реликтового излучения для таких частиц нет.

Естественно возникает вопрос: почему? Ответа на этот фундаменталь-ный вопрос в настоящее время нет. Обсуждаются следующие две возможно-сти. 1. Существует ранее неизвестная компонента космических лучей сверхвысокой энергии за пределами области обрезания энергетического спектра чернотельным излучением. 2. Космические лучи ультравысокой энергии представлены не про-тонами, а нейтринным излучением. Отсутствие заряда и стабильность позво-ляют нейтрино избежать эффекта

Грейзена-Зацепина-Кузьмина и достичь Земли, даже если источник находится очень далеко. Если теперь предполо-жить, что нейтрино при ультравысоких энергиях приобретают способность сильного воздействия, то они могут генерировать широкие атмосферные ливни. Предложена конкретная возможность проверки этой фундаменталь-ной идеи путем определения высотного профиля ШАЛ (рис. 2) Рис. 2. В заключение хочется отметить, что, учитывая богатую и нестандарт-ную историю рождения

и развития нейтрино, можно предположить, что но-вые неожиданности и сюрпризы по физике и астрофизике нейтрино вполне реальны.