Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Космические лучи – потоки заряженных частиц, в основном протонов.

Для регистрации различных характеристик космических лучей (энергия, направление, заряд, масса) используют различные методы, многие из которых были изначально опробованы в физике элементарных частиц. Собственно, изначально именно исследования космических лучей были основным способом изучения элементарных частиц (и позитроны, и мюоны были открыты именно в результате таких наблюдений).

Максимальная энергия зарегистрированных частиц превышает 10²⁰ эВ.

Первичные (космические) заряженные частицы практически не достигают поверхности Земли, поэтому для их прямой регистрации необходимо поднять приборы над плотными слоями атмосферы. Именно так, по итогам наблюдений с воздушного шара, Виктор Гесс (Victor Hess) и открыл в 1912 г. космические лучи, заметив, что по мере подъема поток частиц возрастает.

Космические (и баллонные) эксперименты имеют существенные ограничения по массам и размерам, зато они позволяют определять параметры частиц напрямую непосредственно в детекторе. Для измерения энергии частиц обычно используют сцинтилляторы: частица поглощается слоем вещества, а вся ее энергия переходит в оптическую вспышку, регистрируемую фотодетектором.

Частицы с энергией до 10¹⁴ эВ исследуют из космоса.

Для измерения заряда и массы лучше устанавливать постоянные магниты, как это сделано в экспериментах PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, Нагрузка по исследованию антивещества и астрофизики легких ядер) на борту спутника «Ресурс-ДК» и AMS-02 на МКС. Заряженные частицы отклоняются магнитным полем: положительно заряженные – в одну сторону, отрицательно заряженные – в другую, кривизна трека (траектории) при этом зависит от массы частицы и величины заряда.

Измерения позволяют определить энергию, заряд и массу частицы, а также направление движения.

Для определения направления движения частиц разработано множество методов. В космических экспериментах используются детекторы, состоящие из большого количества слоев (решеток), реагирующих на пролет частицы элементов. Зная, какие элементы сработали и в каком порядке, можно восстановить траекторию движения частицы.

Частицы высоких энергий достаточно редки, и для их регистрации потребовались бы слишком большие космические аппараты. Поэтому их регистрируют иначе: рабочим телом детектора в этом случае является атмосфера Земли.

При попадании высокоэнергичного протона (или более тяжелого ядра) возникает каскад частиц, который называют широким атмосферным ливнем. Влетая в атмосферу, протон сталкивается с молекулами газов, в результате их взаимодействия в первую очередь рождаются нейтральные пионы – так называемые пи-мезоны (также рождаются К-мезоны – каоны, которые быстро распадаются на пионы). Они распадаются, давая рождение фотонам высоких энергий, которые, в свою очередь, рождают электрон-позитронные пары. Электроны и позитроны, взаимодействуя с заряженными частицами, испускают фотоны высоких энергий, кроме того, идет процесс ионизации атомов, что поставляет дополнительные электроны. В результате всех этих процессов возникает так называемый электромагнитный каскад, его фотонную составляющую можно наблюдать с помощью наземных детекторов.

Детекторами излучения могут быть как фокусирующие зеркала, так и просто фотоумножители. Кроме прямого черенковского излучения каскада существует «воздушная флуоресценция», хотя точнее было бы называть это люминесценцией. Это явление состоит в том, что частицы возбуждают молекулы азота, которые высвечивают энергию возбуждения, это излучение также регистрируется наземными установками и позволяет изучать частицы самых высоких энергий.

Наземные наблюдения сводятся к регистрации вторичных частиц и излучения.

В результате столкновения частиц высокой энергии с атмосферными частицами также рождаются заряженные пионы, которые в основном распадаются на мюоны и нейтрино, достигающие поверхности Земли. Детектирование вторичных мюонов с помощью сцинтилляционных или водных черенковских детекторов часто используется для исследования космических лучей.