Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки
уха,
вызванная ШАЛ, с помощью 60 параболических зеркал диаметром 1,5 м. Возможно
детектирование ШАЛ с энергией Ео > 1021 эВ, если таковые существуют в
природе. Эффективная площадь регистрации для таких ШАЛ достигает 1000 км3,
ибо она определяется площадью светосбора в той области атмосферы, откуда
приходит наибольшее количество флуоресцентного света. В СССР, близь г. Алма-
Ата, в 1988 г. начато строительство комплексной экспериментальной установки
ШАЛ-1000 площадью 1000 км2.
Вторая задача — измерение химического состава первичных космических
лучей — решена для области энергий Ео < 1014 эВ с помощью ядерных
фотоэмульсий и советского искусственного спутника Земли «Протон-4», на
котором был установлен ионизационный калориметр (см. ниже) массой —12т. Для
более высокоэнергетической части космических лучей задача не решена.
Косвенное ее решение возможно путем изучения продольного развития ШАЛ в
атмосфере (иными словами, каскадной кривой ШАЛ), которое будет несколько
различным для частиц разного сорта и одинаковой энергии. Флуктуации
коэффициентов неупругости лидирующих частиц, пробегов нуклонов,
множественности вторичных частиц в ШАЛ делают это отличие еще менее
заметным. Поэтому в области сверхвысоких энергий космических лучей реально
ставить вопрос только о соотношении ядер водорода и гелия или ядер водорода
и всех остальных ядер, вместе взятых. Некоторые надежды можно возлагать на
радиоголографию ШАЛ в лучах его собственного когерентного радиоизлучения.
Этот метод предложен физиками Харьковского госуниверситета, в том числе и
автором настоящего учебника, и может быть применен в области сверхвысоких
энергий ШАЛ для рассматриваемой задачи. Однако детальных расчетов его
применимости в реальном эксперименте на одной из действующих комплексных
установок ШАЛ пока не существует.
Ранее ядерный состав в области сверхвысоких энергий изучался путем
измерения высоты максимума развития и флуктуаций числа мюонов на уровне
моря ШАЛ с фиксированной энергией.
Третья задача — поиск и изучение локальных источников космических
лучей в Галактике — решается двумя путями: оптическим и методом ШАЛ.
Направление на локальный источник сохраняет при движении в Галактике либо
высокоэнергетический гамма-квант, либо протон или ядро сверхвысокой энергии
такой, что межзвездные магнитные поля не могут существенно отклонить их на
пути к Земле. Оптический метод используется для детектирования атмосферных
ливней, вызываемых гамма-квантами с энергией [pic]1012 эВ, по их
черенковскому излучению в ночной атмосфере в видимой области спектра.
Известно, что показатель преломления воздуха п можно представить в виде
[pic] (459)
Здесь [pic] = 2,92 ( 10-4. Максимальный черенковский угол в атмосфере
мал, поэтому можно записать
[pic]
Буквой ( здесь обозначено отношение скорости частицы к скорости света.
Теперь можем выразить [pic]:
[pic]; [pic] (460)
На пороге черенковского излучения угол [pic] = 0, а следовательно,
[pic] и можно записать [pic]. Тогда полная энергия частицы на пороге
черенковского излучения
[pic] (461)
где тс2 — энергия покоя заряженной частицы. Черенковский угол в
воздухе на уровне моря [pic]1,4°, на высотах излучения ливней [pic]1012 эВ
– [pic]0,8°, поэтому направление прихода первичного гамма-кванта с
точностью [pic]1° может быть определено. На практике угловое разрешение
определяется приемниками света, так как средний угол многократного
кулоновского рассеяния частиц в ливне значительно больше черенковского
угла. Однако угловое разрешение приемников света не должно быть значительно
меньше черенковского угла. Приемниками света обычно служат системы
параболических зеркал большой площади, в фокусе которых расположены
фотоэлектронные умножители, способные регистрировать кратковременные
вспышки ((1 нс) черенковского света в ночном небе. Искать локальные
источники космических лучей описанным способом наугад, без предварительных
предположений о них, бесперспективно. Поэтому оптические приемники
направляют на мощные галактические радиоисточники или пульсары. В
частности, гамма-кванты с энергией (1012 эВ впервые обнаружены в
направлении на пульсар, находящийся в Крабовидной туманности. В Советском
Союзе подобная экспериментальная установка действует более 20 лет.
Расположена она в Крыму, в Крымской астрономической обсерватории (КрАО). С
помощью нее получен энергетический спектр гамма-квантов в интервале энергий
[pic]= 1012 — 1016 эВ, идущих от локального источника Лебедь Х-3.
Локальные источники космических лучей в Галактике можно изучать при
помощи экспериментальных установок, регистрирующих ШАЛ на уровне моря или
на высотах гор. На этих установках измеряют пространственные углы прихода
ливней, т. е. зенитный угол ( и азимутальный угол ( оси ливня. Если
известно мировое время регистрации каждого события, можно вычислить его
угловые координаты на неподвижной звездной карте неба. Чем точнее
измеряются (, ( и мировое время, тем быстрее можно набрать необходимую
статистику для выделения локального источника, если он существует, на
неподвижной звездной карте. Зенитный угол ( и азимутальный угол ( измеряют
временным методом при помощи быстрых сцинтилляционных детекторов.
Предположим, что на земной поверхности расположены (п + 1) штук
сцинтилляционных детекторов в точках с координатами [pic]Выбирая точку
[pic] за начало отсчета, найдем радиус-векторы каждой из точек, где
расположены оставшиеся п детекторов:
[pic]
[pic] (462)
где [pic] – орты осей X, V, Z декартовой системы координат с началом в
точке [pic]. Единичный вектор вдоль направления оси ШАЛ есть
[pic] (463)
Сгусток частиц ШАЛ имеет форму плоского диска (по крайней мере на
малых и средних расстояниях от оси), поэтому легко определить расстояние
каждого детектора с координатами [pic]от плоского фронта ШАЛ в момент его
касания детектора с координатами [pic]:
[pic] (464)
Здесь с — скорость света, ti — время срабатывания i-го
сцинтилляционного детектора относительно детектора, находящегося в начале
отсчета [pic]. Далее, для нахождения ( и ( можно использовать метод
наименьших квадратов; после чего (, ( находят, решая систему уравнений.
Если в системе электронной регистрации ШАЛ достигнуто высокое
временное разрешение, устранены всевозможные аппаратурные дрейфы, то при
достаточном количестве сцинтилляционных детекторов может быть получено
угловое разрешение [pic]1°. Установки ШАЛ, использующие описанный метод,
успешно работают несколько десятилетий, но локальные источники космических
лучей наблюдаются на них сравнительно недавно. Этому способствовало высокое
качество исполнения электронной временной аппаратуры.
2. Взаимодействия при высоких энергиях.
Основным методом изучения взаимодействий при высоких и сверхвысоких
энергиях является метод ионизационного калориметра. Основное назначение
ионизационного калориметра — измерение мгновенного распределения ионизации,
созданной первичной частицей в блоке плотного вещества. Калориметр должен
различать случаи одновременного падения на него более одной частицы,
поэтому мгновенное распределение ионизации должно подробно изучаться как в
продольном, так и в поперечном относительно траектории частицы направлении.
Ионизационный калориметр устроен следующим образом (см. рис. 232).
Поглотитель из плотного вещества толщиной Хпогл разбит на п слоев толщиной
[pic]. Под каждым слоем находятся детекторы ионизации Детекторы Д1 и Д2
включены на совпадение и производят предварительный отбор энергичных
частиц.
Выработанный схемой совпадений сигнал опроса управляет работой
калориметр а. Детектор Д3, в зависимости от задачи, включается либо на
совпадение, либо на антисовпадение с детекторами Д1 и Д2. При попадании
частицы в калориметр она создает в нем полный ионизационный эффект [pic] –
полное число пар ионов. Полное энерговыделение[pic], где [pic] – среднее
значение энергии, затрачиваемой на образование одной пары ионов. Зная
распределение ионизации / (X) по глубине поглотителя калориметра, можно
определить Ео:
[pic] (467)
где [pic] – полное число пар ионов в k-м дискретном слое толщиной Хk
г/см2. Предполагается, что все вторичные частицы полностью поглотились в
слое Хпогл, т. е. I(Хпогл) = 0. При попадании ядерно-активной частицы в
калориметр суммарное энерговыделение складывается из двух слагаемых: полная
энергия, переданная (°—мезонам во всех взаимодействиях, полная энергия,
затраченная на ядерные расщепления. Некоторая часть энергии, уходящая на
ядерные расщепления (6—10% от Ео), не регистрируется. Энергия
радиоактивного распада ядер, как правило, выделяется после мгновенной
регистрации ионизации, а нейтрино ионизации не создают. Толщина слоев
поглотителя Xk должна быть оптимальной. Выбирают ее таким образом, чтобы
электромагнитный каскад, образованный гамма-квантом средней энергии,
который возникает в распадах (°
| |  скачать работу |
Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки |
