Физика / Астрофизика и космические лучи

д.ф.-м.н. Мукашев К.М., д.ф.-м.н. Садыков Т.Х.

Казахский национальный педагогический университет имени Абая,

Физико-технический институт МОН РК

Комплекс средств для исследования физики и астрофизики космических лучей

Вся современная физика элементарных частиц выросла из физики космических лучей. Исследования в космических лучах, проведенные в течение двадцатилетия (1932-1952), сыграли фундаментальную роль в становлении физики элементарных частиц. В 1932 г. К.Андерсон открыл позитрон, в 1937 г. С.Неддермейер, К,Андерсен, Дж. Стрит и Е.Стивенсон открыли m -мезон, в 1947г. Ч.Латтес, Дж.Оккиалини и С.Пауэлл обнаружили распад положительного p-мезона на положительный m - мезон и нейтрино. Распады нейтральной и заряженной V - частицы были обнаружены также в 1947 г., t - мезон (К- мезон, распадающийся на 3 p - мезона) был обнаружен в 1949г., К_m - распад зафиксирован в 1955г. Существование нейтральной L - частицы было доказано в 1951 г. Распад каскадного å^- - гиперона обнаружен в 1952 г, существование å ⁺ - гиперона было доказано в 1953 г. Эти работы в области космических лучей послужили основанием для введения квантового числа “странность” и закона сохранения странности в сильных взаимодействиях.

Далее к исследованию взаимодействий элементарных частиц подключились ускорители, после чего физика элементарных частиц получила мощный импульс развития благодаря огромной статистике событий, недостижимой в космических лучах. С тех пор физика элементарных частиц превратилась в самостоятельную и дорогостоящую отрасль науки.

Космическим лучам (КЛ) сейчас отведена другая существенная роль – поставлять частицы сверхускорительной энергии для детальной разведки нового и необычного по сравнению с тем, что уже открыто и известно из работ на ускорителях. Таким образом, КЛ являлись как бы разведчиками в физике элементарных частиц. В восьмидесятых годах, на основе ускорительных экспериментальных данных утвердилась Стандартная модель. В ее основе лежат кварки, лептоны и калибровочные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Теперь, в начале третьего тысячелетия физики, кажется, подошли к пределу достижимых на ускорителях энергий элементарных частиц (≤10¹⁷ эВ) и вынуждены снова обратить внимание на космические лучи сверхвысоких энергий (Е > 10¹⁷ эВ) [1] .

Интерес к исследованиям космических лучей сверхвысоких энергий продиктован и тем обстоятельством, что в области энергий больше 10¹⁵ эВ обнаружен ряд эффектов, которые не объясняются в рамках Стандартной модели. Обнаруженные в космических лучах в последние годы необычные феномены можно объяснить появлением новых частиц, возможно частиц темной материи либо новых механизмов взаимодействия, т.е. складывается ситуация, аналогичная ситуации в физике элементарных частиц 30-х годов прошлого столетия.

Перечислим основные эффекты, которые не укладываются в рамки Стандартной модели и появляются в области энергий выше 10¹⁵ эВ:

· проблема излома энергетического спектра в области энергий 3×10¹⁵ эВ;

· обрезание спектра первичного космического излучения при Е₀>10¹⁹ эВ;

· события типа Кентавров и Антикентавров, в которых соотношения между числом адронов и гамма-квантов и их суммарными энергиями оказываются аномально большими и не могут быть объяснены статистическими флуктуациями;

· события типа бинокуляр – двухструйные события с аномально большим поперечным импульсом;

· события с “гало” - большим диффузным пятном засветки на рентгеновской пленке, которое обеспечивается плотностью потока энергии ³20 ТэВ/мм²;

· выстроенность гамма-семейств проявляется, как следы наиболее энергичных гамма-квантов или адронов вдоль прямой линии;

· длиннопробежные частицы – проявляются как проникающие частицы, поглощение которых заметно отличается от экспоненциальной зависимости;

· запаздывающие частицы – частицы отстающие от переднего фронта ШАЛ;

· масса нейтрино – для объяснения экспериментального потока нейтрино от Солнца необходимо придать нейтрино некоторую массу покоя.

Таким образом, в настоящее время в космических лучах при энергиях выше 10¹⁵ эВ создалась интересная ситуация. С одной стороны наблюдается значительное число явлений в основном в области ствола (центра) широких атмосферных ливней (ШАЛ), не укладывающихся в рамки традиционных представлений о ядерно-каскадном процессе в атмосфере. С другой стороны, пока в экспериментах на ускорителях серьезных отклонений от принятой Стандартной модели сильных взаимодействий не обнаружено. Если вспомнить, что область центра радиусом до 10 метров на расстоянии 20 – 30 км от точки первого взаимодействия частицы, породившей ШАЛ, относится практически к недоступной на ускорителях области псевдобыстрот (h>12), то исследование ствола ШАЛ является хорошим дополнением к ускорительным экспериментам.

Возможно также, что в потоке космических лучей при энергии выше 10¹⁵ эВ могут присутствовать необычные частицы, которые являются первопричиной наблюдаемых аномальных явлений в экспериментах с космическим излучением и которые из-за своих свойств не наблюдаются в экспериментах на ускорителях [2].

В настоящее время происходит значительная интенсификация исследований космических лучей во многих странах мира. Достаточно упомянуть, что находятся в эксплуатации и сооружаются комплексные установки по изучению космических лучей на высотах гор: Японо-бразильская установка - г.Чакалтая площадью 10000 м², расположенная на высоте 5220 м² в Боливии, Китайско-итальянская установка - Тибет (Н=4300м) площадью 36900 м², на уровне моря -японская установка «Agassa» площадью 100 км². В Южном полушарии в Аргентине создается установка площадью 6000 км². В Северном полушарии проводится поиск территории для установки площадью 30000км². Претендентом на эту установку является и Казахстан.

Высокогорная научная станция космических лучей (ВНСКЛ) Физико-технического института была организована в 1957 году. Станция располагается на перевале Джусалы-Кезень, на высоте 3340 метров над уровнем моря в горах Тянь-Шаня вблизи г. Алматы и предназначена для исследования процессов взаимодействия частиц космического излучения сверхвысоких энергий. Практически в то же время, в 1959 году, была организована и начала функционировать на этом же перевале и Тянь-Шаньская высокогорная научная станция (ТШВНС) Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, предназначенная, главным образом, для исследования особенностей образования и развития потоков частиц космического излучения, т.н. широких атмосферных ливней (ШАЛ). Несколько позже здесь же начали функционировать экспериментальные установки ряда других научных станций системы Министерства образования и науки Республики Казахстан.

В связи с этим тематика исследований на станциях значительно расширилась, в том числе исследование космического пространства, благоприятных и опасных периодов для запусков космических аппаратов и нахождения человека в околоземном космическом пространстве, природы и структуры грозовых разрядов и их взаимосвязи с космическим излучением, исследование возмущенных состояний космической погоды, влияющих на аппаратуру спутников и биосферу и т.д. С 1967 года на высоте 1700 метров над уровнем моря в ущелье Сары-Булак в 9 км от Алматы работает Промежуточная научная станция космических лучей (ПНСКЛ), предназначенная для исследования частиц космического излучения. С конца 50 годов прошлого столетия в Казахском Национальном Университете им. аль-Фараби, несколько позже и в Казахском национальном педагогическом университете имени Абая проводятся исследования вариаций космических лучей. В апреле 2010 года рядом институтов Казахстана и России была подписана «Программа совместных исследований РАН и НАН РК «Астрофизика космических лучей высоких и сверхвысоких энергий и процессы в атмосфере», главными задачами которой является проведение фундаментальных исследований в областях:

• астрофизики сверхвысоких энергий;

• космических лучей;

• мониторинга космических лучей с целью контроля и прогноза космической погоды, изучения ее влияния на гео- и биосферу;

• краткосрочное прогнозирование землетрясений.

Основной экспериментальной базой этих исследований является многоцелевой комплекс «АTHLET», который состоит из четырех разнесенных установок для регистрации широких атмосферных ливней, расположенных на разных высотах над уровнем моря (3340 м - на ТШВНС, 1700 м - на Промежуточной станции и 850 м - в КазНУ им. Аль-Фараби и КазНПУ им.Абая. Рассмотрим основные экспериментальные установки многоцелевого комплекса «АTHLET».

1. Экспериментальный комплекс по исследованию грозовых явлений «Гроза» и регистрации широких атмосферных ливней создается на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции космических лучей (ТШВНС) на перевале Джусалы-Кезень, на высоте 3340м над уровнем моря. На снимке (рис.1) показано размещение основной части комплекса. Комплекс предназначен для изучения механизма возникновения молниевых разрядов в грозовых облаках и выяснения его взаимосвязи с космическими лучами [3]. Установка ежегодно модернизируется и дополняется новыми детекторами в соответствии с расширяемым кругом научных задач. В настоящее время экспериментальный комплекс включает следующие основные установки:

1. Ливневая триггерная система, которая состоит из распределенных по территории станции годоскопов, выполненных на газоразрядных счетчиках типа СИ5Г. Система фиксирует момент широкого атмосферного ливня (ШАЛ) космических лучей и позволяет оценить его размер и энергию первичной частицы по совпадениям сигналов от счетчиков.

2. Система сцинтилляционных детекторов NаJ(Tl) для регистрации интенсивности мягкого гамма- и жесткого рентгеновского излучений от грозовых облаков с временным разрешением 100 мкс в шести энергетических диапазонах от 20 кэВ до 5 МэВ.

3. Многорядные спектрометры поглощения, состоящие из годоскопов на основе тех же газоразрядных счетчиков и расположенных друг над другом, разделенных между собой тонкими слоями свинца и железа. Спектрометры служат для регистрации электронов, ускоренных в электрическом поле грозовых облаков и излучаемых ими гамма- и рентгеновских квантов, а также для оценки их энергии по кривой поглощения [4].

4. Мюонный годоскоп, составленный из пропорциональных счетчиков СИ5Г, размещенных в подземном помещении на глубине 2000 г/см общей чувствительной площадью 100 м², служащий для регистрации мюонной компоненты ШАЛ.

5. Система мониторинга высокоэнергичных и тепловых нейтронов, включающая в себя дополненный спектрометром нейтронный супермонитор НМ64, нейтронный монитор в подземном помещении на счетчиках СНМ15 и отдельные детекторы на базе пропорциональных нейтронных счетчиков СНМ17 и СНМ18, распределенные по территории станции.

6. Две независимые радиосистемы, работающие в диапазоне частот 0,1-30 МГц и одна, работающая в диапазоне 250 МГц. Системы служат для регистрации интенсивности радиоизлучения, генерируемого в грозовых облаках при молниевых разрядах с высоким временным разрешением (200 нс), а также для определения направления на место разряда (локации) по относительным задержкам радиосигналов.

Рис.1. Пункты для регистрации грозовых явлений и ШАЛ, расположенных на ТШВНС.

Передача импульсных сигналов от детекторов в центры регистрации производится по экранированным кабельным линиям протяженностью до 2 км посредством специально разработанных для данного эксперимента передающих и приемных усилителей на базе вакуумных электронных ламп. Это обеспечивает возможность функционирования установки непосредственно в условиях грозы, при сильных электромагнитных помехах от близких ударов молнии [5].

Система сбора данных установки построена на базе специально разработанных электронных блоков, изготовленных в стандарте КАМАК. Она позволяет вести регистрацию поступающих от детекторов сигналов с низким (1-100 с), высоким (100 мкс) и очень высоким (200 нс) временным разрешением, получая временные сканы интенсивности в течение длительных временных промежутков (по 5000-10000 отдельных отсчетов) [6]. Аппаратура КАМАК подключается к стандартному параллельному порту персонального компьютера через разработанный для этой цели контроллер.

Таким образом, исходя из анализа полученных к настоящему времени данных, достоверными можно считать следующие результаты:

1. Система детекторов, разнесенных на расстояние до 400 м, позволила оценить протяженность источника излучения.

2. При прохождении облаков через ТШВНС в спокойной фазе грозы без дождя и молний имеется два различных типа изменения в интенсивности излучения частиц, такие как резкие вспышки излучения с характерной продолжительностью времени в несколько минут и длительные плавные изменения интенсивности частиц в течении нескольких часов.

3.Резкие вспышки интенсивности импульсов напрямую связаны с соответствующими изменениями величины напряженности электрического поля. Именно с этого момента интенсивность импульсов в установке спадает в течение 2-3 часов.

8. Положение кратковременных пиков на временной шкале всегда совпадает со временем значительного изменения напряженности электрического поля. Такое поведение указывает на существование внутри облака сложной динамики возникновения и изменения электрического поля, которое влияет на интенсивность вторичных электронов космического излучения.

Литература

1 Байгубеков А.С., Жунусбеков М.К., Застрожнова Н.Н., Крыкбаев Д.И., Садыков Т.Х. Изучение явления аномального запаздывания адронной компоненты ШАЛ на высоте 1700 м над уровнем моря // Известия НАН РК. Сер. физ.-мат., 2009. №2. С. 44-46.

2 Baygubekov A.S., Isaev E.Sh., Sadykov T.Kh., Mukashev K.M. et all. THE Tien-Shan Seismic stations for short-term prediction of EarthquakeS by means of the cosmic rays // Известия НАН РК. Сер. физ.-мат., 2009. №2. P. 57-59.

3 Жуков В.В., Мукашев К.М., Степанов А.В., Садыков Т.Х., Яковлев В.И. Исследование зенитного углового распределения ШАЛ // Вестник КазНУ. Серия физика. 2009. №4 (31). С.132-135.

4 Байгубеков А.С., Застрожнова Н.Н., Мукашев К.М., Новолодская О.А., Садыков Т.Х. Возможные механизмы образования лидирующих нейтральных пионов в гамма-семействах высокой энергии //Вестник КазНПУ. Серия физ.-мат. науки. 2009, №3 (27). С. 36-41.

5 Вильданова Л.И., Мукашев К.М., Садыков Т.Х., Чубенко А.П., Щепетов А.Л. Об одном механизме возникновения атмосферной молнии // Вестник КазНПУ. Серия физ.-мат. науки. 2009, №3 (27). С. 97-102.

6 Chubenko A.P., Shepetov A.L., Sadykov T.Kh., Mukashev K.M. et all. Registration of neutron events with underground monitor // Вестник Каз НПУ. Серия физ.-мат.науки. 2009, №4 (28). С. 211- 215.