Самостоятельная работа 38С-20 tm таиров Ш. Наваи 2021 Темы: Взаимодействие космические лучи атмосферы земли

17.3. Энергетический спектр первичного космического излучения
Особый интерес представляет изучение энергетического спектра первичного космического излучения. На рис. 118 показаны экспериментальные данные об интенсивности первичных космических частиц в разных энергетических интервалах, полученные в многочисленных экспериментах. Приводятся данные для протонов и всех силыювзаимодействующих частиц, включая ядра. Отдельно показан спектр электронов, позитронов, антипротонов там, где эти частицы идентифицированы. Интенсивность космических частиц при энергии LHC составляет 10⁴ событий на км^-2 год^-1 − на LHC при этой же энергии можно получить > 10⁷ событий в один день.

Рис. 118. Дифференциальный энергетический спектр первичного космического излучения. Стрелками над энергетической шкалой показаны энергии частиц, получающиеся на различных ускорителях (действующих: SpS, HERA, RHIC, TEVATRON и LHC).

Данные об энергетическом спектре первичного космического излучения особенно интересны для решения различного рода астрофизических задач. Из рисунка видно, что диапазон изменения энергии первичных космических частиц очень широк: от 10⁰ до 10¹¹ ГэВ. В разных энергетических интервалах для определения энергии первичной частицы используются различные методики. В начальном участке энергетического спектра энергии первичных протонов определялись по широтному эффекту космического излучения. Благодаря существованию магнитного поля у Земли, на экватор могут попасть частицы, энергия которых превышает 15 ГэВ. В полярные области могут проникать частицы любых энергий.
Значительное количество экспериментов выполнено за пределами атмосферы Земли. В диапазоне энергий от 10² до 10⁵ ГэВ в качестве детекторов использовались калориметрические установки, располагающиеся на искусственных спутниках Земли или шарах-зондах. При энергиях > 10⁵ ГэВ энергия определялась по широким атмосферным ливням, развивающимся в атмосфере и регистрируемым на поверхности Земли.
Энергетический спектр первичного космического излучения можно аппроксимировать степенной функцией: dN/dE = a₀/E^γ. В дифференциальном спектре показатель степени γ = 2.8 при энергиях до 10⁵ ГэВ. В интервале энергий 10⁵−10⁶ ГэВ показатель γ изменяется плавно и при Е > 10⁶ ГэВ становится равным 3.2. При Е > 10¹⁰ ГэВ снова намечается тенденция к изменению показателя спектра вплоть до γ ~ 2.8.
Таким образом, можно отметить следующие особенности первичного спектра космического излучения: излом спектра при Е − 10⁶ ГэВ (называемый в литературе "колено"), излом спектра при ~10¹⁰ ГэВ (называемый "лодыжка"). Частицы с энергией > 10¹¹ ГэВ принято называть ультравысокоэнергичными космическими частицами (UHECR). К настоящему времени наблюдено порядка 10 таких частиц. По гипотезе Грайзена, Зацепина, Кузьмина (ГЗК) таких частиц вообще не должно быть, т.е. спектр должен обрываться. Гипотеза ГЗК состоит в том, что первичные космические частицы высоких энергий сталкиваются с реликтовым γ-излучением, заполняющим Вселенную, открытым в середине 60-х годов. В результате такого столкновения космические частицы должны терять значительную долю энергии и выбывать из данного энергетического интервала. Наблюдение UHECR противоречит этой гипотезе и ставит новый вопрос: каково происхождение таких частиц?
На рис. 119 показан участок энергетического спектра космических частиц, в котором наблюдались UHECR. Линиями показано предполагаемое изменение спектров вследствие эффекта ГЗК. Основная реакция, которая может объяснить уменьшение интенсивности высокоэнергичных частиц, есть взаимодействие протона с реликтовым фотоном и образование при этом дельта-изобары, которая распадается затем на пион и протон. Пороговая энергия при этом E_th = km_πm_p/2ε ≈ 10¹⁹ эВ, где ε = 10^-3 эВ, что соответствует температуре реликтового фотона Т ≈ 2.7°К. Если предположить, что вместо протона образуется какая-либо более тяжелая частица с массой М_X, то пороговая энергия может сдвинуться в область более высоких энергий, названную сверхвысокоэнергичной областью для гипотезы ГЗК (Super GZK).

Рис. 119. Энергетический спектр космических частиц в области UHECR.

Пока только один эксперимент (AGASA) свидетельствует об отсутствии эффекта ГЗК и существовании UHECR.
Отмеченные особенности энергетического спектра первичного космического излучения связываются с различными гипотезами о происхождении космических лучей. Возможно, что большая часть космических частиц имеет галактическое происхождение, а частицы очень высоких энергий − метагалактическое.