ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
Л ^ ( > 1 0 / " з в ) < ] Г т |
j |
J |
Y(E0,E',t)a{E', |
m)dE'dt'. |
m |
О |
Е'=\ОГэв |
|
|
Знак неравенства поставлен потому, что в выражении справа не учтена вероятность рожденным фотопионам провзаимодействовать до их распада на мюоны. Этот эффект, по-видимому, неве
лик, так как из-за падающего спектра основной |
вклад |
в |
число |
||||||||||||||||||
мюонов |
|
с |
энергией |
|
более £ц |
вносят |
|
мюоны |
с энергией |
~ЕЦ. |
|||||||||||
Пионы, |
|
рождающие |
мюоны |
с энергией порядка |
10 Гэв, |
распа |
|||||||||||||||
даются |
|
в |
атмосфере |
до взаимодействия |
с большой |
вероятностью. |
|||||||||||||||
Примем |
|
тса2. |
Далее |
примем, что а(Е\ |
|
т = 2)=<у |
— полному се |
||||||||||||||
чению |
фоторождения |
пионов. Как |
известно из данных, |
получен- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
„ . |
|
, |
|
, |
|
Ш—28 |
СМ2 |
и не зависит |
от Е |
в ин- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нуклон |
|
Гэв. |
|
|
|
|
|
|
|
тересующей |
нас области |
энергии |
^ 1 0 |
В |
расчете на |
^-еди |
|||||||||||||||
ницу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
= |
Ю~2 8 |
с м 2 |
.6- 1023-38 г / с ж 2 = 2 - 1 0 _ 3 . |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нуклон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким |
образом, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
to |
|
|
Е'>10Гэе, |
t)dt. |
|
|
|||
|
|
|
|
Л ^ ( > 1 0 / > в ) < 2 - 2 . 1 0 - 3 | Г ( £ 0 , |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заменяя |
о |
|
|
10 Гэв, t) dt |
через |
его приближенное |
выраже- |
|||||||||||||
|
j Г (Е0^> |
||||||||||||||||||||
ние |
Е0 |
|
|
0,137 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Е |
|
|
In Е01Е \Е=югэв |
при А^ ~ |
10 и, подставляя Е0 |
= |
6-101 4 эв, |
||||||||||||||
имеем |
NlO |
|
10 Бэв) < |
100. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
При |
|
i:o = 6-101 4 |
эв |
полное число электронов в э.-ф. ливне на |
||||||||||||||||
уровне моря iV e =10 5 . В реальных наблюдаемых |
ш. а. л. с |
Ne=\05 |
|||||||||||||||||||
на |
уровне |
моря |
число |
мюонов с Ер ^10 |
|
Гэв в среднем |
составляет |
||||||||||||||
3-103 |
(см. гл. 4), т. е. более чем в 30 раз больше. |
Важно |
также |
||||||||||||||||||
[296, |
116], что пространственное |
распределение |
мюонов |
в |
ливне |
||||||||||||||||
чисто |
|
электромагнитного |
происхождения |
практически |
не |
отли |
|||||||||||||||
чается |
от |
среднего |
пространственного |
|
распределения |
мюонов в |
|||||||||||||||
реальном |
ш. а. л. |
Следовательно, |
соотношение |
N^/N^ < —^— |
|||||||||||||||||
остается |
справедливым и для величин |
|
|
|
|
|
|
|
30 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
рЦг) |
и р й ( г ) : р 2 ( / 0 / Ы г ) < 1 / З О . |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Хотя |
потоки |
мюонов |
в э.-ф. и реальном |
ливне |
отличаются |
|||||||||||||||
очень |
существенно, |
наблюдение |
э.-ф. ливней |
как ливней, |
аномаль |
||||||||||||||||
но |
бедных |
мюонами, |
затруднено |
следующими |
обстоятельствами. |
||||||||||||||||
232
В реальном ливне существуют большие флуктуации в полном по токе мюонов /Уц относительно среднего значения N^. Характер этих флуктуации в области малых NJN^<С не изучен до
статочно детально ни с экспериментальной, ни с теоретической точек зрения. Далее, детектирование потоков мюонов в комплекс
ных установках происходит с помощью детекторов |
достаточно |
|||||
большой |
площади S, |
определяющих плотность |
потока |
мюонов |
||
Р(г (г) на |
расстоянии |
г от оси ливня. |
|
|
|
|
Число мюонов, падающих на детектор, испытывает даже при |
||||||
фиксированном |
пуассоновы |
флуктуации |
относительно сред |
|||
него значения рц(г) S. За счет флуктуации в Л'ц и за |
счет |
пуассо- |
||||
новых флуктуации при не слишком |
больших S может |
происходить |
||||
имитация ложных ливней электромагнитного происхождения. Для
исключения этих эффектов |
необходимо |
использовать |
большие |
|||||||
площади детекторов 5 и изучать |
ш. а. л. большой |
энергии |
Е0 так, |
|||||||
чтобы далее отбирать события с числом мюонов ^.^L^l£_- |
Однако |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
практически |
используемые |
площади |
детекторов |
(порядка десят |
||||||
ков м2) |
позволяют установить |
только |
верхнюю |
границу для |
||||||
числа |
ш. а. л. |
электромагнитного |
происхождения |
из |
требования, |
|||||
чтобы |
во всех наблюдаемых ливнях |
число |
мюонов |
т, |
падающих |
|||||
на детектор, удовлетворяло условию т<С -^-pM ,(r)S. Исследования ливней электромагнитного происхождения про
водились на комплексных установках в Лодзи |
[297], Москве [116] |
и в особенности в Боливии [298]. Данные о |
верхних границах |
потоков первичного излучения электромагнитной природы приве
дены |
в табл. 9, где 1у,п — поток |
первичного |
излучения с |
энер- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
9 |
|
|
|
3-10'» эв [298] |
5-10" |
эв [297] |
2-10'« эв [116] |
10" эв |
[298] 6-10" эв [116] |
||||
|
'у |
<2-10-4 |
2 - Ю " 8 |
ю - 3 |
|
ю - * |
|
2 -10-* |
|
||
|
'п |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гией |
>Е0 соответственно |
электромагнитной |
и |
ядерной |
природы. |
||||||
При |
определении 1у/1п |
учитывался |
различный |
характер |
развития |
||||||
в атмосфере э.-ф. лавины |
и лавины |
от ядерной |
частицы. Поэто |
||||||||
му в работах, выполненных на уровне моря, верхняя граница для доли ливней, аномально бедных мюонами и с числом частиц бо
лее iVe, в общем случае отличается от доли 1у/1п, |
приведенной |
в табл. 8. |
|
Не являются ли приведенные в табл. 9 данные о верхних гра ницах 1у[1п слишком малыми с точки зрения других эксперимен-
234
тальных и теоретических сведений о первичном электромагнитном излучении. Например, энергетический спектр первичных электро
нов космических лучей |
хорошо |
изучен в области энергий вплоть |
||||||||
до 100 |
Гэв. |
При этих энергиях |
поток |
электронов |
составляет от |
|||||
потока первичных ядерных частиц величину |
~ 1 % . |
|
|
|||||||
В области |
энергий |
^10 0 |
Гэв |
[299, 300] |
дифференциальный |
|||||
энергетический |
спектр электронов |
характеризуется |
показателем |
|||||||
у + 1 = 2 |
, 7 , |
совпадающим |
с показателем спектра ядерной |
компо |
||||||
ненты |
первичных космических |
лучей. |
Таким |
образом, |
прямая |
|||||
эстраполяция энергетического спектра электронов в область энер гий 2^101 3 эв вступает в противоречие с экспериментальными дан ными табл. 9.
В этой связи следует отметить, что сравнительно пологий ход энергетического спектра электронов в области энергий — 100 Гэв давно вызывает удивление из-за большой роли согласно оценкам магнитотормозных потерь в магнитных полях Галактики для та ких электронов [301]. Роль этих потерь растет ~Е2, в результате чего спектр электронов должен становиться круче и иметь диффе
ренциальный |
показатель, |
равный у + 2. Возможно, |
что оценки |
могут быть |
пересмотрены |
в сторону возрастания |
той энергии Е, |
начиная с которой магнитотормозные потери приводят к сущест
венному |
завалу |
энергетического спектра, |
но |
энергии, |
соответст |
||||||
вующие |
ш. а. л., |
заведомо |
находятся в |
той |
области, |
где |
вклад |
||||
магнитотормозных |
потерь |
существенный. |
|
|
|
|
|
||||
Данные о у-излучении в составе первичной компоненты кос |
|||||||||||
мических |
лучей |
являются |
значительно |
менее |
определенными, |
||||||
чем данные |
о |
первичных |
электронах. |
Однако |
[302, 303] |
доля |
|||||
у-излучения |
в |
области £ ~ 1 0 0 Мэв составляет величину |
~ 1 0 - 3 . |
||||||||
В отличие от электронов у-излучение в |
принципе |
может |
прихо |
||||||||
дить к нам с огромных расстояний порядка размеров |
Метагалак |
||||||||||
тики, т. е. порядка |
1010 св. лет. Однако |
у-излучение |
интересую |
||||||||
щих нас сверхвысоких энергий испытывает существенное погло щение на значительно меньших расстояниях за счет специфиче ского процесса неупругого рассеяния на реликтовых фотонах.
Учитывая, что распределение по е носит планковский характер
иявляется достаточно широким, можно показать [304], что у-излучение с энергией в интервале 101 4 4-101 9 эв имеет пробег
относительно поглощения ~ 1026 см ~10 8 св. лет. Следовательно, относительно малое значение верхней границы для доли первич ного у-излучения сверхвысоких энергий может быть понято с уче том процесса неупругого взаимодействия — у-излучения с релик товым излучением, заполняющим Метагалактику.
В связи с обсуждением вопроса о частицах электромагнит ной природы в составе первичного излучения сверхвысокой энер гии следует упомянуть гипотезу [305] о возможном существовании монополей сверхвысоких энергий. Монополи Дирака хорошо ускоряются магнитными полями Галактики и за время распро странения от источника до места наблюдения могут достигать
235
предельно |
высоких энергий 1 4 2 . Если считать, что масса |
монополя |
|
не столь |
велика, чтобы препятствовать |
эффективной |
передаче |
энергии в |
тормозные у-кванты, дающие |
э.-ф. лавины, |
то ш. а. л., |
создаваемый монополем, будет также аномально бедным мюона-
ми. Поэтому верхние границы (табл. 9) |
можно |
рассматривать |
т а к ж е , как верхние границы для потоков |
монополей |
Дирака в пер |
вичном космическом излучении сверхвысокой энергии (во всяком случае для монополей, способных создать ш. а. л.).
Вариации интенсивности первичного излучения. Наконец, третьей важной характеристикой первичного излучения являются вариации его интенсивности. С точки зрения происхождения кос мических лучей сверхвысоких энергий интерес представляют не вариации, обусловленные атмосферными явлениями (барометри ческий эффект, температурный эффект), а вариации, которые могут быть связаны с изменением ориентации установки, регист рирующей космические лучи сверхвысоких энергий, относительно различных участков звездного неба. Любая установка для ре гистрации ш. а. л., в особенности на уровне моря, обладает значи тельной направленностью, так как угловое распределение осей регистрируемых ливней достаточно резко падает относительно вертикального направления. В комплексных установках, кроме того, возможно с достаточно большой точностью определять нап равления прихода осей регистрируемых ливней (углы f> и <р). Следовательно, если известны географические координаты уста новки (широта и долгота) и углы f> и ф регистрируемого ливня, то каждому регистрируемому ливню можно сопоставить коорди наты на небесной сфере: склонение б и прямое восхождение а по формулам
|
|
|
|
siii б = sin |
ф 0 |
cos |
Ф — cos |
ф 0 cos |
Ф cos |
ф , |
|
(6.1.8) |
||||
где фо — географическая |
широта, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
а |
= |
t.A — t, |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
, |
— |
sin ft sin <p |
, cos |
, |
cos ф 0 |
cos d + |
sin ф 0 |
sin ф cos |
ф |
, |
|
|
||
|
sin x |
|
cos о |
x — |
|
cos о |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
a |
— звездное |
|
время, связанное со средним |
солнечным |
временем |
|||||||||||
соотношением1 4 3 |
t3 — t0 + m, |
|
t0 |
— звездное |
время |
в полночь |
по |
|||||||||
Гринвичу, т — номер часового |
пояса. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Очевидно весь диапазон прямого восхождения |
прослеживается |
||||||||||||||
в |
течение |
звездных суток за |
счет вращения |
Земли 1 4 4 . Для |
пере- |
|||||||||||
1 4 2 |
Магнитное |
поле |
действует |
на монополь так же, как электрическое |
поле |
на |
||||||||||
|
электрический заряд, а электрическое — как магнитное на электрический |
|||||||||||||||
|
заряд. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 4 3 |
Звездное |
время |
|
отличается |
от |
солнечного, так как |
Земля |
в течение |
астроно |
|||||||
|
мического года совершает один оборот относительно небесной сферы |
за |
счет |
|||||||||||||
|
вращения |
вокруг Солнца. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 4 4 |
Например, |
для |
|
исследования |
диапазона склонений, соответствующих |
ядру |
||||||||||
|
Галактики, нужно проводить измерения на |
широте Австралии. |
|
|
|
|
||||||||||
236
крытия всего диапазона склонений необходимо проводить изме рения в широком диапазоне географических широт. Расширения
диапазона склонений при заданной широте трудно |
достигнуть |
из-за коллимации направлений прихода ш.а.л. около |
вертикали. |
На рис. 88 представлены экспериментальные данные об интенсив
ности |
космических |
лучей |
сверхвысоких энергий, |
приходящих из |
||||
|
|
|
Проекция |
Меркотора |
звездной |
сферы |
|
|
_пп0 |
30 |
60 90 |
120 |
150 |
180 210 |
240 |
270 300 |
330 360 |
|
|
|
|
• |
|
® |
П |
|
|
|
|
|
ж ш л т ш и |
||||||
шштштшшшшшшшишштшшгх:• • |
|
|
|
|
3454 37.1 |
||||||||||||||
|
0 • |
|
|
|
• |
|
• |
• • |
* |
• • |
• • |
|
• |
|
• |
||||
|
|
ф |
|
|
|
|
?//,/ |
38,2 |
|||||||||||
30 |
• |
|
® |
|
спирали |
|
|
• |
|
|
|
|
|
36,2 |
|||||
|
Ф •• |
|
|
© |
|
•1®щ • |
© |
|
Центр |
|
|
|
© |
|
|
44,6 |
|||
|
|
|
|
|
гал актих |
|
|
|
|
|
|
||||||||
60 |
®-2/п<(п-п}<-Л) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
90 |
•2/п < (п-п), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
|
180 |
210 |
240 |
|
270 |
100 |
|
330 |
|
360 |
Градусы |
|||
'О |
|
|
|
|
|||||||||||||||
О |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
|
12 |
14 |
16 |
|
18 |
20 |
|
22 |
|
24 |
Часы |
||
|
|
|
|
|
|
Припое |
|
восхождение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рис. |
88. Интенсивность |
космических лучей |
с энергией более 1015 |
эв, |
прихо |
||||||||||||||
|
|
|
дящих из различных участков небесной сферы |
|
|
|
|
|
|||||||||||
различных |
направлений |
|
небесной |
сферы |
[306] |
|
(Кларк |
|
и |
др.), |
|||||||||
причем Да - Аб= 10-10°. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Проекция |
плоскости галактического диска |
|(рис. 88) |
имеет |
вид |
|||||||||||||||
кривой, так как при изображении ее в координатах а и б суще ственным оказывается наклон земной оси по отношению к галак тической плоскости. В левом нижнем углу рис. 88 даются обозна-_
чения ячеек |
Да-Дб, |
в которых наблюдаются |
отклонения от п |
|||||
в |
разных пределах, |
где |
п — среднее |
число |
ливней |
на |
ячейку. |
|
С |
точностью |
до пяти |
процентов в |
исследованном |
диапазоне |
|||
6 |
= 0 + 30° |
наблюдается |
[306] хорошая |
изотропия для Еа~ |
101 5 эв. |
|||
|
0 — 30° |
|
|
|
|
|
|
|
Наблюдаемая зависимость от б связана с угловым распределе нием осей регистрируемых ливней.
Благодаря тому что наблюдения в [306] проводились на малых широтах (Индия), удалось захватить область галактического диска. Дальнейшие поиски анизотропии с помощью комплексных установок были нацелены на область предельно высоких энергий.
Исследования, |
проведенные в США [307], Мексике [308], Боливии |
|||||
[41], Англии |
|
[309] |
(Вильсон, |
Ватсон и |
др.) и Австралии |
[235] |
(Маккаскер |
и |
др.), |
показали, |
что вплоть |
до энергий Е0~№* |
эв |
16 г. Б. Христиансен |
237 |