'Астрофизика космических лучей'

1. Тема "Исследование галактических и экстрагалактических космических лучей сверхвысоких энергий и нейтринная астрофизика".
   Координаторы:
   дфмн, зав. отделом Калмыков Николай Николаевич (ОЧСВЭ)т. 939-23-69 kalm@eas.sinp.msu.ru
   кфмн, зав. отделом Яшин Иван Васильевич (ОКИ) т. 939-18-10 ivn@eas.sinp.msu.ru
   дфмн, зав. лабораторией, Кузьмичев Леонид Александрович (ОИВМ) т. 939-10-72 kuz@dec1.sinp.msu.ru
   Дополнительно:
   дфмн, в.н.с., Фомин Юрий Александрович (ОЧСВЭ, проект ШАЛ МГУ) т. 939-57-30 fomin@eas.sinp.msu.ru
   кфмн, с.н.с., Просин Василий Владимирович (ОЧСВЭ,проект Тунка) т. 939-10-72 prosin@dec1.sinp.msu.ru
   ктн, с.н.с., Чернов Дмитрий Валентинович (ОИВМ, проект Сфера) т. 939-58-73
   кфмн, с.н.с., Осипова Элеонора Армаисовна (ОИВМ, проект Байкал) т. 939-58-61 osp@dec1.sinp.msu.ru
   
   
2. Тема "Исследование галактических космических лучей на спутниках и аэростатах".
   Координаторы:
   кфмн, зав. лабораторией, Подорожный Дмитрий Михайлович (ОКИ, проект НУКЛОН)т. 939-14-71; 939-18-10 dmp@eas.sinp.msu.ru
   дфмн, внс, Зацепин Виктор Иванович, кфмн, с.н.с Сокольская Наталия Владимировна (ОИВМ, проект ATIC) т. 935-38-75; 939-18-10 sok@dec1.sinp.msu.ru
   
   
3. Тема "Временные и спектральные характеристики рентгеновских и гамма-источников".
   Координаторы:
   кфмн, снс, Свертилов Сергей Игоревич (ОКИ, проект Гаммаскоп) т. 939-51-60 sis@coronas.ru
   
   
4. Тема "Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах".
   Координаторы:
   дфмн, внс, Роганова Татьяна Михайловна (ОИВМ), кфмн, снс, Манагадзе Александр Константинович (ОИВМ), т. 939-24-38 mng@dec1.npi.msu.su

Тайна происхождения галактических космических лучей

Немного истории Существование проникающего излучения внеземного происхождения было открыто австрийским физиком Виктором Гессом в 1912 г. практически случайно. Ученый изучал ионизацию в газе, находящемся в закрытом сосуде. Предполагалось, что основная ионизация происходит от радиоактивного излучения земной поверхности. Но при подъеме регистрирующей аппаратуры при помощи аэростата он с удивлением обнаружил, что скорость ионизации на высоте 5 км возросла в несколько раз по сравнению с уровнем моря. Открытие было интерпретировано так: из Космоса приходит излучение, легко проникающее через атмосферу и стенки сосуда и ионизирующее газ. Это излучение позднее было названо космическими лучами (КЛ). Начиная с этого времени, сотни ученых пытались понять природу космического излучения, и в настоящее время известно уже очень много. Было показано, что космические лучи - это атомные ядра, приходящие равномерно со всех направлений (изотропно) из окружающего Землю пространства. Самой интригующей особенностью этого излучения оказалось степенное распределение частиц по энергии I(E) ~ E-γ, простирающееся на много порядков по энергии от 106 до 1020 эВ (энергия частиц обычно измеряется в единицах электрон-вольт: 1 эВ = 1.6 10-12 эрг, часто будут встречаться единицы ГэВ=109 эВ и ТэВ=1012 эВ). Ученым удалось установить, что, скорее всего, до энергии ~1018 эВ космические лучи имеют в основном Галактическое происхождение (галактические КЛ - ГКЛ), а при большей энергии начинают преобладать КЛ, приходящие на Землю из других Галактик. Кроме того, оцененная плотность энергии КЛ в Галактике оказалась очень большой ∼ 1 эВ/см3, что сравнимо с плотностью суммарного электромагнитного излучения звезд в Галактике, энергией теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений и с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Это позволяет считать космические лучи важнейшей составляющей межзвездной среды Галактики, а установление источников КЛ и изучение процессов распространения их до Земли - одной из важнейших задач астрофизики. Если 'прямыми' методами можно пытаться достичь энергии 1015 эВ, то пороговой областью метода ШАЛ является энергия несколько единиц на 1014 эВ, а на большинстве установок - более 1015 эВ, поскольку методика ШАЛ требует развитого каскада с большой суммарной энергией вторичных частиц. Таким образом, область спектра КЛ в районе колена является еще и границей применимости разных методов. Сопоставление данных полученных 'прямыми' и 'косвенными' методами позволит построить суммарный энергетический спектр КЛ.

Так выглядит спектр КЛ в двойном логарифмическом масштабе.

Как рождаются галактические космические лучи? Уже более полувека строятся различные гипотезы, где рождаются и как ускоряются космические лучи до столь высоких энергий, ведь лучшие лабораторные ускорители на земле разгоняют частицы только до энергии порядка 1012 эВ. Как было сказано выше, первые попытки объяснения происхождения КЛ были основаны именно на энергетических оценках. Прежде всего, необходимо было найти астрономические объекты, которые по мощности выделяемой энергии могли бы быть ответственны за полную энергию КЛ, аккумулированную в настоящее время в Галактике, и поддерживающими более или менее постоянную во времени плотность КЛ. Такими объектами могут быть вспышки Сверхновых (SN). 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 ∼ 3.1015 эВ. 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 Е2.5). На рисунке собраны экспериментальные данные по исследованию спектра КЛ в области энергий 1011 - 1021 эВ. При некоторой фантазии можно отметить, что форма энергетического спектра КЛ действительно напоминает ногу человека.

Если умножить спектр КЛ на E2.5, то при некоторой фантазии он действительно напоминает ногу человека, а точка в районе 3.1015 - колено. На рисунке также приведены названия экспериментов, в которых получены экспериментальные значения.

Экспериментальная проверка факта излома энергетического спектра КЛ с ∼ Е-2.7 на ∼ Е-3.1 была 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. 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.

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. 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 э нергий, 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.

Тема "Исследование галактических и экстрагалактических космических лучей сверхвысоких энергий и нейтринная астрофизика".

Происхождение и распространение космических лучей с энергиями более 10¹⁴ эВ является одной из наиболее важных задач астрофизики. Тесно связаны с этой задачей являются исследования нейтрино высоких энергий внеземного происхождения . В ряде проектов, реализуемых в НИИЯФ МГУ проводятся исследования космических лучей в диапазоне энергий 10¹⁴ -10¹⁹ эВ.

Установка ШАЛ МГУ
20-й корпус НИИЯФ МГУ
На установке ШАЛ МГУ проводятся исследования космических лучей сверхвысокой энергии (выше 1015 эВ) методом регистрации широких атмосферных ливней.(ШАЛ) Установка представляет собой сеть детекторов, расположенных на территории МГУ. Центром установки является специально построенный для изучения космических лучей 20-й корпус.
	Детектор установки ШАЛ МГУ
Наиболее ярким результатом, полученным на установке, является открытие 'излома' в энергетическом спектре первичных космических лучей при энергии около 3.1015 эВ. Детальное изучение спектров ШАЛ по числу электронов и мюонов, выполненное на установке ШАЛ МГУ, показало, что оба спектра имеют сложную форму и не описываются единым степенным законом. Было установлено, что показатели степени этих спектров достаточно резко изменяются в сторону увеличения в узком диапазоне как по числу электронов, так и мюонов. Наиболее естественное объяснение этого результата состоит в том, что он отражает соответствующее изменение формы энергетического спектра первичного излучения. Обнаружение излома в энергетическом спектре первичных космических лучей - это одно из главных достижений в области физики космических лучей сверхвысоких энергий, имеющее большое значение для решения вопроса о происхождении и распространении космических лучей в Галактике. Результаты, полученные на ШАЛ МГУ привели к стимулированию исследований в этом направлении во многих ведущих лабораториях мира.