Файл: Христиансен, Г. Б.pdf

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

деляемая экспериментально. Статистические оценки показывают, что число различных галактик достигает — 100 млрд. В каждой из галактик в принципе могут возникать космические лучи, диффун­ дирующие к ее границе и выходящие в межгалактическое про­ странство.

Вклад космических лучей, генерируемых квазарами и радио­ галактиками, в среднюю плотность космических лучей, по-видимо­

энергии, выделяемой ядрами активных галактик, но число кваза­ ров (~106 ) в 105 раз меньше полного числа галактик. Число радиогалактик порядка нескольких сотен, так что их суммарное энерговыделение оказывается все равно на три — четыре порядка меньше, чем энерговыделение всех галактик.

В рамках картины расширяющейся нестационарной Метага­ лактики такие объекты как квазары и радиогалактики напомина­ ют о том, что за время существования Метагалактики происходила

Если источниками космических лучей внутри галактик явля­ ются сверхновые звезды и ядра галактик, то можно ожидать, что

взаимодействия космических лучей с оптическими фотонами, иду­ щие с сечением

° ^ ю« з 10"». 10» " 3 ' 1 Q ~ 3 1 с -«2 . могут приводить к заметным потерям энергии космических лучей при выходе их за пределы объекта. Примерами таких процессов являются фоторождение пио-

5 В настоящее время эта картина противоречит экспериментальным данным и упоминается из соображений ее простоты.

4я

сJ = N.

10

частицы, Е0 — энергия частицы), максимальная ~0,2 Ео в случае процесса фоторождения пионов. Поэтому эффективные потери энергии в результате первого процесса происходят только при очень большом числе соударений частиц космических лучей с фотонами.

В результате столкновений ускоренных протонов и ядер с фо­ тонами, заполняющими пространство вблизи источника, можно ожидать значительных энергетических потерь для протонов и рас­ щепления для ядер [2].

Количественное рассмотрение вопроса о трансформации энер­ гии протонов и ядер в общем потоке космического излучения пред­

§2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

ВМЕЖЗВЕЗДНОЙ И МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОЙ СРЕДАХ

Космические лучи, вышедшие из области эффективного уско­ рения, попадают в межзвездное, а затем межгалактическое про­ странство. Это пространство заполнено согласно современным представлениям ионизованным и нейтральным газом, в котором существуют хаотические и регулярные магнитные поля, а также так называемым реликтовым излучением. Кроме того, современные экспериментальные данные о форме верхней границы спектра электронов от р-распада допускают возможность существования нейтринного фона во Вселенной.

Диффузия в магнитных полях. Попадая в межзвездное галакти­ ческое пространство, космические лучи испытывают влияние регу­

11