книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

Г. Б. ХРИСТИАНСЕН

КОСМИЧЕСКИЕ

ЛУЧИ

СВЕРХВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЙ

И З Д А Т Е Л Ь С Т ВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1974

О Г Л А В Л Е Н И Е

П р е д и с л о в и е

Глава I

Распространение космических лучей сверхвысоких энергий

§1. Источники космических лучей

§2. Распространение космических лучей в межзвездной и межгалакти­

3

посвящаю

П Р Е Д И С Л О В И Е

Космическими лучами сверхвысокой энергии обычно называют первичные космические лучи с энергией более 101 4 —101 5 эв. Их вы­ деление в специальное направление связано в основном со специ­ фической методикой их исследования. Наиболее светосильным для частиц с энергией более 101 5 эв и единственным методом исследо­ вания космических лучей еще более высоких энергий является ме­ тод исследования коррелированных с ними мощных потоков эле­ ментарных частиц и электромагнитного излучения. Эти потоки, достигающие больших поперечных размеров и называемые широ­ кими атмосферными ливнями (ш. а. л.), возникают за счет лавин­ ных процессов, инициируемых первичной частицей в атмосфере1 . Благодаря большим поперечным размерам таких потоков сущест­ венно возрастает эффективная область регистрации каждой кос­ мической частицы сверхвысокой энергии в глубине атмосферы. Именно это делает реальным исследование первичных космиче­ ских лучей вплоть до энергий 102 0 —102 1 эв, несмотря на резко падающий характер их энергетического спектра.

Как установлено в последние годы, энергетический спектр га­ лактических космических лучей простирается по крайней мере на

ходит за счет диффузии в хаотических магнитных полях. В настоя­ щее время произведены измерения этих полей в Галактике с использованием астрофизических методов и принято считать на­ пряженность магнитного поля порядка 3-10~6 гс. Тогда ларморов-

ника до места наблюдения значительно больше ларморовского радиуса частицы. Поэтому изотропные космические лучи сверх-

1 Образование ш. а. л. является следствием достаточной толщины и разрежен­ ности земной атмосферы.

2 Вопрос об энергетическом спектре галактических космических лучей при энер­ гиях < 100 Мэв нельзя считать решенным.

5

из Метагалактики. Таким образом, космические лучи сверхвысо­

Можно перечислить много вопросов, поставленных перед астрофизикой экспериментальными исследованиями последних лет. Среди них вопрос об источниках и механизмах ускорения косми­ ческих лучей с энергией вплоть до 1021 эв, вопрос о причинах не­ эффективности взаимодействия космических лучей предельно вы­ соких энергий с реликтовым излучением Метагалактики и ряд других. Не исключено, что решение этих вопросов потребует пере­ смотра ряда принципиальных положений современной физики. Возможно, что в этом отношении астрофизика космических лучей находится в том же положении, что и современная астрофизика вообще.

С другой стороны, хорошо известен вклад, который внесли в физику элементарных частиц и физику частиц высоких энергий исследования взаимодействия первичных и вторичных космических лучей с веществом. Именно в процессе этих исследований были открыты и изучены новые элементарные частицы (позитрон, мюон, пион, каоны и гипероны), а также обнаружены принципиально новые процессы — электромагнитный каскадный и ядерно-каскад­ ный.

Благодаря успехам ускорительной техники широкий диапазон

мических лучей. При взаимодействии космических лучей с энер­ гиями более 101 4 эв можно ожидать рождения новых гипотетиче­

Вместе с универсальными постоянными h (постоянная ПлаНка) и с (скорость света) элементарная длина может служить основой для конструирования любых других величин любой размерности.

6

можным при использовании космических лучей сверхвысоких энергий.

Результаты экспериментальных исследований космических лу­ чей сверхвысокой энергии играют определяющую роль при про­ верке возможностей различных моделей взаимодействия при вы­ соких и сверхвысоких энергиях.

Экспериментальные данные о взаимодействии ядерных частиц, полученные на ускорителях при энергиях до 2-101 2 эв, хорошо описываются партонной моделью Фейнмана, предсказывающей масштабную инвариантность характеристик взаимодействия при

космических лучей сверхвысоких энергий с веществом приводят к

Книга состоит из шести глав.

Основная часть посвящена изложению методов и результатов исследования ш. а. л. Метод исследования ш. а. л. является прак­ тически единственно возможным методом исследования космиче­

В ч е т в е р т о й главе излагаются основные эксперименталь­ ные данные о ш. а. л., полученные на различных высотах в атмо­ сфере, и дается их критический анализ.

информации о первичном излучении и его взаимодействии с ве­ ществом.

В ш е с т о й главе на основе полученных данных о первичном излучении обсуждаются различные модели происхождения косми­ ческих лучей сверхвысоких энергий (101 5 —102 0 эв).

Из-за ограниченного объема в книге не нашел отражения но­ вый метод исследования космических лучей сверхвысоких энер­ гий с помощью фотоэмульсионных камер на базе рентгеновских пленок. Этот метод можно использовать вблизи нижней границы (101 4 —101 5 эв) энергетического диапазона, соответствующего кос­ мическим лучам сверхвысоких энергий. По той же причине не из-

7

Глава 1

Распространение космических лучей сверхвысоких энергий

§ 1. и с т о ч н и к и КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Согласно современным представлениям космические лучи мо­ гут возникать в результате ускорения заряженных частиц в актив­ ных космических объектах, дающих большое энерговыделение в излучение (например, в радио и оптическом диапазоне).

Примерами таких объектов являются сверхновые звезды, ядра галактик, квазары и радиогалактики. Энергия, выделяемая в слу­ чае вспышек сверхновых, составляет величину 104 9 —105 1 эрг, что в 10'7 —101 9 раз больше энергии, выделяемой в солнечных вспыш­ ках. Энергия, выделяемая ядрами активных галактик и квазарами,

Та часть Вселенной, которая доступна современным наблюде­ ниям, имеет размеры порядка 1010 св. лет. Экспериментально на­ блюдаемое красное смещение линий оптического и радиоизлуче­ ния отдельных галактик трактуется в настоящее время как рас­

4 Относительное количество частиц различной природы в источниках может быть совершенно иным, чем вблизи Земли, за счет трансформации космических лучей при их распространении.

9