ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 85
Скачиваний: 0
ния |
с реликтовым |
излучением |
xr{EQ). |
Если |
это время т г ^ Г |
(где |
||
Т — время |
жизни |
космических |
лучей), то |
энергетический |
спектр |
|||
генерируемых космических лучей необходимо умножить |
на |
фак |
||||||
тор |
е~т/Хг{Е°\ |
что |
приведет к |
обрезанию энергетического |
спектра. |
|||
|
При Г ^ Ю 9 лет (что разумно |
принять в качестве |
времени |
|||||
жизни космических лучей рассматриваемых нами энергий) основ ными процессами, приводящими к увеличению показателя, будут процессы фоторождения пионов на нуклонах и фоторасщепления
|
|
|
|
|
|
-IV |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
21 |
22 |
19 |
20 |
|
21 |
||
|
|
|
{дЕ.эв |
|
|
|
|
lEc>eV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 94. Среднее вре |
Рис. 95. |
Эксперименталь |
|||||||||
мя |
жизни |
космиче |
ный |
энергетический |
|||||||
ских |
|
протонов |
отно |
спектр |
первичного |
излу |
|||||
сительно |
их |
столкно |
чения |
при |
£ 0 |
> 1 0 ' 9 |
эв |
||||
вения |
с |
реликтовым |
с указанием |
(пунктиром) |
|||||||
излучением как функ |
возможных |
|
пределов |
||||||||
ция |
энергии |
протонов |
[326] (кривая 3) и спект- |
||||||||
£о |
на |
современной |
тры, |
предсказываемые |
|||||||
стадии |
эволюции |
Ме |
различными |
|
моделями |
||||||
тагалактики |
согласно |
происхождения |
космиче |
||||||||
(327]. По |
оси |
ординат |
ских |
лучей |
|
предельно |
|||||
|
х |
в |
секундах |
высоких |
энергий: |
1 |
— |
||||
|
|
|
|
|
|
{318]; 2 — [330]; 4—{329]; |
|||||
|
|
|
|
|
|
5 — [335]. В случае [329] |
|||||
|
|
|
|
|
|
имеется |
в виду |
энергети |
|||
|
|
|
|
|
|
ческий |
спектр |
провзаи- |
|||
|
|
|
|
|
|
модействовавших |
ней |
||||
|
|
|
|
|
|
|
трино |
|
|
|
|
ядер. |
Значения |
тг |
были |
получены |
в работе [327]. |
На рис. 94, |
||||
заимствованном |
из |
этой |
работы, |
видно, что при |
Е0^Ю20 |
эв |
||||
т г |
~ 1 0 7 лет, что значительно |
меньше |
Г ~ 1 0 9 лет. |
|
|
|||||
|
На рис. 95 |
представлены экспериментальные данные и резуль |
||||||||
таты |
расчетов |
[327, |
318] |
с учетом реликтового «обрезания» |
спект |
|||||
ра |
метагалактических |
космических |
лучей. В работе [328] был |
|||||||
проанализирован |
вопрос |
о |
том, могут ли ошибки в |
определении |
||||||
256
полного |
числа |
мюонов |
превратить |
теоретический |
спектр с |
|||||
«обрезанием» в |
более пологий |
спектр, |
совместный с эксперимен |
|||||||
|
|
|
|
т а |
|
|
|
|
|
|
тальным. Если |
|
— <Z60%, |
то это |
крайне |
мало |
вероятно. |
||||
Учитывая |
также |
эти |
новые |
данные |
о |
наблюдении |
частиц с |
|||
Ео^\О21 |
эв, |
следует считать противоречие |
между |
экспериментом |
||||||
и теорией достаточно убедительным 1 5 7 . |
|
|
|
|
||||||
Из этого затруднения можно пытаться выйти, несколько умень |
||||||||||
шая время |
жизни |
космических |
лучей Т |
и |
тем самым |
отодвигая |
||||
эффект «обрезания» в область несколько больших энергий. В ра боте [335] было сделано предположение о том, что Г ^ Ю 8 лет (рис. 95). Такая модель встречает трудности с обеспечением не обходимого абсолютного потока метагалактических космических лучей. Учитывая, что фактор накопления даже в Метагалактике
~10-т-Ю0, получим, что |
космические лучи в этой модели прихо |
дят с расстояний не более |
106 Ч-107 св. лет. |
Для устранения противоречия между экспериментом и расче тами [329] было предположено, что нейтрино (предельно высоких энергий), возникающие в Метагалактике за счет взаимодействия нуклонов с реликтовым излучением, имеют достаточно большое сечение взаимодействия с ядрами атомов воздуха и могут созда
вать ш. а. л. необходимых |
энергий. |
Однако |
для |
эффективного |
|||
создания |
ш. а. л. следует |
считать, |
что сечение |
взаимодействия |
|||
нейтрино |
возрастает с |
энергией |
быстрее, |
чем |
по |
закону ~ £ о . |
|
вплоть до |
значений Eo^lO20 |
эв, что вызывает |
определенные за |
||||
труднения современной теории слабых взаимодействий. В част ности, такой рост озцачал бы, что промежуточного бозона не существует. Тем не менее при современном состоянии экспери мента в космических лучах и на ускорителях это предположение является возможным.
Кривая 4 (рис. 95) |
показывает вкдад нейтрино |
разных |
энер |
||
гий в создание |
щ. а. л. |
[329]. Согласия |
можцо достигнуть, |
если |
|
предположить |
более |
быстрый рост сечения с энергией |
~Е01'7, |
||
начиная с так |
называемого унитарного |
предела |
(Е0~1013 |
эв). |
|
Расчетная кривая, подученная в предположении линейного роста
сечения |
нейтрино |
с энергией, |
противоречит |
экспериментальным |
|||||||||
данным 1 5 8 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Существует |
возможность |
экспериментальной |
проверки ней |
||||||||||
тринной |
гипотезы. |
Если |
считать, |
что |
при |
энергии |
^ 1 0 1 9 |
эв |
все |
||||
ливни |
образованы |
нейтрино, |
сечение |
взаимодействия |
|
которых |
|||||||
равно |
«геометрическому», |
то |
угловое |
распределение |
ливней |
от |
|||||||
нейтрино |
с энергией ^ Ю 1 |
7 эв |
будет изотропным, и доля нейтрин |
||||||||||
ных ливней с |
зенитным углом t}^=50° |
составит примерно |
4% |
от |
|||||||||
Во всяком случае можно говорить о |
серьезном указании |
на |
противоречие. |
||||||||||
(На рис. 95 все кривые нормированы |
в точке 10| S эв к экспериментальным |
||||||||||||
данным.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
257
полного |
потока обычных |
ливней, |
тогда как доля обычных ливней |
с г}^50° должна быть ~ |
долей |
процента. Это может быть иссле |
|
довано |
на гигантских установках |
для изучения ш. а. л. Возможно, |
|
что в этом направлении можно проанализировать уже существую щие данные установок Хавера парк и Волкано Ренч.
В других работах [330, 331] были рассмотрены разные вариан ты генерации и диффузии космических лучей предельно высоких энергий, возникающих в пределах нашей Галактики и имеющих время жизни, не превышающее 106 лет. В этом случае взаимодей ствием космических лучей с реликтовым излучением можно пре небречь, и наблюдаемый спектр космических лучей воспроизводит их спектр в источниках. Одна из моделей [330] предполагает нестационарную генерацию космических лучей сверхвысоких энергий > 1 0 1 7 эв, их диффузное распространение и заполнение ими гало нашей 'Галактики. Эта модель дает величину анизотро пии потока космических лучей 5%, не противоречащую экспери
ментальным |
данным |
при £ о > Ю 1 7 эв, описывает двойное |
измене |
ние формы |
спектра |
за счет диффузионной волны 1 5 9 и не |
проти |
воречит данным по химсоставу, а также данным по радиоизлу чению из различных областей нашей Галактики. Очевидно, в этой модели основная часть космических лучей, образовавшихся при
взрыве, не дошла до нас и |
находится недалеко от центра Галак |
|
тики и, стало быть, дает |
радиоизлучение |
из центральных обла |
стей Галактики. Однако в |
последнее время |
само существование |
галактического гало подвергается сомнению 1 6 °.
В другой модели [331] диффузия при предельно высоких энер гиях не существенна, но как раз это приводит к возникновению
большой анизотропии. Эта анизотропия приобретает |
благодаря |
||||||||
влиянию регулярного |
магнитного |
поля |
своеобразный |
характер. |
|||||
При |
£ о > 3 0 0 |
HL, |
где |
L |
— размер |
риска, интенсивность |
космиче |
||
ских |
лучей |
в |
направлении галактического экватора |
будет в |
|||||
44-8 |
раз больше |
чем |
|
средняя, а интенсивность в направлении |
|||||
полюса — в 2 раза |
меньше средней. |
|
|
||||||
Конкретное |
сравнение |
модели [331] с |
экспериментом |
затрудне |
|||||
но тем обстоятельством, что эта модель может быть точно рас считана только при энергиях ^ 1 0 1 9 эв, где экспериментальная статистика бедна, и окончательный вывод сделать трудно. Расчет модели [331] в области энергий ^ 1 0 1 8 эв, где имеется богатая экспериментальная статистика, затруднен необходимостью делать
Природа |
диффузной волны |
по |
Ео понятна |
из |
структуры |
выражения |
для |
|||||||
Nr |
в случае |
нестационарной |
генерации. |
|
В этом |
случае |
при |
зависимости |
||||||
D |
(Е0) |
концентрация |
Nr |
(£о) |
вначале |
|
растет |
с |
Е0, |
а |
когда |
множитель |
||
e—r /4D(£0 )i |
перестает зависеть от Е0, |
падает |
из-за |
|
IID"^(E0). |
|
||||||||
Один из аргументов против существования |
гало |
(малое |
время жизни косми |
|||||||||||
ческих |
лучей |
Г ~ 1 0 7 |
лет) |
в |
настоящее |
время |
пересмотрен и |
Г ~ 5 - 1 0 7 |
лет |
|||||
[332]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
258
конкретные предположения о структуре магнитных полей Галак тики 1 6 1 .
Существует еще возможность предположить, что космические
лучи предельно |
высоких энергий состоят не из нуклонов и ядер, |
|||||||
а |
представляют |
собой у-излучение. у-излучение с |
энергией |
|||||
Е= |
10 1 9 - М0 2 0 эв |
[333] из-за поглощения на |
радиоволнах 1 6 2 |
может |
||||
приходить к нам с расстояний не более |
107 —10s |
св. лет, |
что на |
|||||
два-три порядка |
меньше |
радиуса |
расширяющейся |
Метагалак |
||||
тики.. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кроме того, в работе Сиднейской группы наблюдаются |
ш. а. л., |
||||||
состоящие из мюонов с энергией больше |
1 Гэв, |
которые |
крайне |
|||||
неэффективно |
возникают |
в ливнях |
от |
первичных |
у-квантов |
|||
(в 30 и более раз менее эффективно, чем в ливнях от первичных нуклонов). Такая интерпретация экспериментальных данных при вела бы к резкому возрастанию интенсивности первичных частиц с 7f>101 9 эв и к возникновению резкой нерегулярности в первич ном спектре.
Таким образом, рассмотренные выше модели встречаются с определенными трудностями и ни одна из них до сих пор не находит решающего экспериментального подтверждения. В этой
ситуации представляется |
допустимым |
поставить |
вопрос: не яв |
||
ляется ли |
противоречие |
между |
фактом |
существования космиче |
|
ских лучей |
с энергией |
больше |
(2-4-3) • 1019 эв |
и теоретическим |
|
предсказанием реликтового «обрезания» энергетического спектра свидетельством неправильной экстраполяции некоторых «очевид
ных» |
представлений из области |
высоких в область |
предельно |
высоких энергий? Не является ли это противоречие |
следствием |
||
нарушения при больших лоренц-факторах обычных |
релятивист |
||
ских преобразований от одной системы координат к другой. |
|||
Для того чтобы получить эффекты образования пар фоторож |
|||
дения |
пионов и фоторасщепления |
ядер за счет взаимодействия |
|
нуклонов и реликтовых квантов, необходимо переходить от лабо раторной системы координат к системе центра масс, где космиче
ская частица покоится, а реликтовый |
квант обладает |
энергией |
£ ~ 2 е у i(e — энергия реликтового кванта |
в лабораторной |
системе, |
у— лоренц-фактор космической частицы в лабораторной системе).
В данном случае оказываются существенными |
лоренц-факторы 1 6 3 |
||||||
~101 0 4-10". |
|
|
|
|
|
|
|
Количественный |
ответ на этот вопрос дан |
недавно в работе |
|||||
[334], где рассмотрена релятивистски |
инвариантная |
модель, в |
|||||
которой |
введена, |
однако, |
асимметрия |
пространства — времени. |
|||
Такие |
предположения |
были |
сделаны в работе |
Вольфендейла |
и др. (Париж |
||
ский симпозиум 1972 г.) и в рамках этих |
предположений |
существование |
|||||
галактических протонов несовместимо с экспериментом [313]. |
|
||||||
Здесь |
имеется в |
виду |
уже |
рассмотренный ранее эффект у + у - > - е + + е - . |
|||
Характерный параметр столкновения фотона и космической частицы в системе центра масс велик r0~ h/mnc ~ 10~i 3 см и соответствующая характерная длина давно уже пройдена в экспериментах на ускорителях.
259