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. 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 (пока их энергии велики) тоже могут провзаимодействовать в более глубоких слоях атмосферы.
В результате поверхности Земли достигает не сама прилетевшая из Космоса частица, а целая группа всевозможных частиц, образованных ей "по-дороге". Вот эта совокупность частиц и называется Широким Атмосферным Ливнем или 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" и заключен ещё один ключевой 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
Для измерения спектра ШАЛ со значительно большими энергиями, которые встречаются исключительно редко, необходимо строить установки с рабочей площадью в десятки и сотни квадратных километров. Строительство установок с большим числом детекторов на расстоянии порядка 100 м друг от друга встречает значительные технические и финансовые трудности. Реально увеличение рабочей площади достигается двумя способами: или детекторы раздвигаются (тогда можно сократить число детекторов на площади установки), или переходят к другому принципу регистрации - измерению не потока частиц, а флуоресценции в атмосфере (свечению атомов воздуха после ионизации), вызываемой основным потоком электронов ШАЛ. Во втором случае можно одним детектором "видеть" ливни с расстояний до десятков километров.
Рис.1. Слева: Карта расположения детекторов установки AGASA на площади 100 км2. Треугольниками показаны детекторы, обслуживаемые центрами регистрации; линии - оптические кабели, связывающие центры регистрации с детекторами. Справа – схема регистрации ШАЛ.
Первый вариант реализован на установках в Якутске площадью 17 км2, AGASA в Японии (рис. 1, слева) площадью около 100 км2. С помощью сети детекторов, расстояние между которыми 1 км, в каждом ливне регистрируется плотность потока частиц в нескольких детекторах и по уровню сигнала на заданном расстоянии от оси ливня (600 м в обеих рассматриваемых установках) делается оценка энергии первичной частицы. Величина 600 м выбрана не случайно: в ряде расчетов показано, что плотность потока частиц r600 на этом расстоянии примерно пропорциональна энергии первичной частицы. (E ~ r600)
Для установления связи между абсолютным значением этой энергии и измеряемым параметром r600 по-прежнему моделируется процесс развития ШАЛ, причем учитывается не только продольное развитие ливня (достаточное при сравнении результатов расчета и измерения числа частиц), но и поперечное рассеяние частиц ливня, в процессе которого частицы "выбрасываются" на расстояния порядка километра. Необходимость учета еще одного фактора - поперечного рассеяния частиц - приводит к тому, что новая мера энергии (плотность потока частиц на заданном расстоянии) становится менее достоверной. Сравнение первичной энергии, измеренной на установках с разной дистанцией между детекторами - типа НИИЯФ МГУ и типа AGASA, - часто демонстрирует расхождение в абсолютных значениях энергии.
Второй способ регистрации космических лучей ультравысоких энергий - измерение флуоресценции атмосферы - позволяет определить энергию частицы «калориметрическим методом». Установки такого типа, например “Fly’s Eye” – «Мушиный глаз» или HiRes
Модуль детектора представляет собой сферическое зеркало, собирающее ультрафиолетовый флуоресцентный свет на матрицу из фотоэлектронных умножителей, расположенных в фокальной плоскости зеркала. Таким образом можно проследить развитие ШАЛ в атмосфере, измерить интенсивность на разных высотах, направление прихода частицы, определить глубину максимума ШАЛ. Преимуществом этого метода, перед первым, является то, что «виден» весь ливень, а не его «срез» на некоторой глубине регистрации. Однако, флуоресцентный метод «плох» тем, что регистрация возможна только ночью и при малом фоне свечения ночной атмосферы.
В реальных условиях работы флуоресцентного детектора, наблюдающего самые энергичные ливни на расстояниях 20-30 км от детектора, необходимо учитывать поправки, связанные с поглощением сигнала в атмосфере. На таких расстояниях (в горизонтальном направлении наблюдения) до детектора доходит лишь 10-20% сигнала, и надо точно знать коэффициент поглощения света флуоресценции в момент регистрации ШАЛ. Еще одна проблема - найти расстояние до оси ШАЛ. Достаточно точно это можно сделать лишь с помощью стереопары детекторов. К сожалению, площадь измерения ШАЛ парой детекторов значительно меньше, чем у одного детектора (поскольку их поля зрения должны перекрываться), а создание большого числа пар детекторов оказывается слишком дорогим.
Флуоресцентное свечение ШАЛ возможно наблюдать и с орбиты Земли.
В тексте использованы:
· фрагменты статьи «Посланники космоса: дальнего или ближнего? Космические лучи ультравысокой энергии» ,
· фрагменты текстов с сайта livni. *****.
