Глоссарий по физике

Широкие атмосферные ливни

Широкие атмосферные ливни - потоки лепто-нов (электронов, мюонов) и адронов, возникающие в атмосфере в результате взаимодействия первичных космич. частиц сверхвысокой энергии (> 10⁵ ГэВ) с ядрами атомов воздуха. Поперечные размеры Ш. а. л. достигают неск. км. Ш. а. л. обнаруживаются и изучаются с помощью систем детекторов частиц, расположенных в горизонтальной плоскости и включённых в схему совпадений (см. Совпадений метод). Развиты также методы регистрации черенковского и ионизац. свечения атмосферы под воздействием Ш.а.л. и радиоизлучения Ш.а.л. Ливни впервые обнаружены П. Оже (P. Augez) и P. Маза (R. Maze) в 1938 с помощью системы газоразрядных детекторов, расположенных на одной плоскости на расстояниях ~100м друг от друга. В 1949 на Памире были зарегистрированы Ш.а.л. при раздви-жении детекторов до 1 км.

Источником Ш. а. л. являются электронно-ядерные ливни, порождаемые космич. протонами и более тяжёлыми ядрами с последующим развитием электронно-фотонного и ядерного каскадов в атмосфере. Углы вылета частиц в первом акте взаимодействия адрона, вызывающего Ш.а.л., малы: q10^-5 рад. Поэтому развитие каскада происходит по направлению движения первичной частицы и Ш. а. л. имеет осевую симметрию относительно этого направления (небольшие отклонения от осевой симметрии могут возникать под влиянием магн. поля Земли). Плотность частиц максимальна около оси и уменьшается с расстоянием. С расстоянием от оси меняется и состав частиц в ливне. Вблизи оси 98% всех частиц составляют электроны (и фотоны) с небольшой примесью адронов высокой энергии. На расстояниях ~200 м электроны составляют лишь 80% потока, а остальные 20% -мюоны, к-рые появляются в ливне из-за распада заряж. пионов и каонов. Возникнув на больших высотах, где атмосфера разрежена, мюоны слабо поглощаются при дальнейшем движении к поверхности Земли и успевают до уровня наблюдения отойти на значит. расстояние от оси ливня.

Рнс. 1. Диск, образованный частицами широкого атмосферного ливня, приближается к установке под углом q; Д-детекторы.

Ш. а. л. можно представить в виде тонкого диска, состоящего из частиц, движущихся со скоростью, близкой к с, по направлению первичной частицы (рис. 1). В центре толщина диска минимальна (~ 1,5 м), а на больших расстояниях увеличивается и на расстоянии 100 м от оси может достигать 50 м. В переднем фронте диска движутся электроны, частицы большей массы запаздывают и населяют "хвост" Ш. а. л. Фронт диска имеет кривизну, радиус к-рой на расстоянии 200 м от оси ~ 1,5 км.

В электронно-ядерном ливне, генерированном первичной космич. частицей, часть её энергии передаётся нейтральным пи-мезонам p⁰. Распадаясь, они дают начало электронно-фотонному каскаду. Заряж. пионы после распада образуют мюоны и нейтрино, к-рые достигают поверхности Земли. Ок. половины энергии сохраняется у адрона высокой энергии, к-рый порождает следующий электронно-ядерный ливень. Этот процесс повторяется многократно. В земной атмосфере укладывается до десятка пробегов ядерного взаимодействия l (рис. 2). Совокупность электронно-фотонных каскадов, а также мюонов и др. частиц от всех последовательных взаимодействий и образует Ш. а. л.

Прямые данные о ядерном составе космич. лучей и характеристиках элементарного акта взаимодействия в области сверхвысоких энергий отсутствуют. Однако сравнение результатов расчёта с экспериментом позволяет сделать заключения об изменениях характеристик элементарного акта и ядерного состава космич. лучей с ростом энергии.

Ряд особенностей Ш. а. л. может быть понят на основе теории электронно-фотонных ливней. Напр., поперечный размер электронной компоненты Ш. а. л. определяется ку-лоновским рассеянием электронов и, следовательно, его среднеквадратичный радиус =0,9 r₀, где r₀ - мольеровский радиус, r₀ = 9,5 г/см² (70 м на уровне моря). Среднеквадратичный радиус Ш. а. л., выраженный в единицах r₀, не зависит от высоты (радиус, выраженный в метрах, уменьшается с глубиной в атмосфере). Величина не зависит и от энергии первичной частицы, вызвавшей ливень, но реальный размер ливня, т. е. расстояние от оси, на к-ром ещё существуют коррелированные частицы, растёт с энергией. При предельно высоких энергиях (10¹¹ ГэВ) ливень покрывает площадь в сотни км².

Рис. 2. Ядерный каскад в атмосфере. Цифрами показаны точки последовательных взаимодействий адрона высокой энергии; ЭФК - электронно-фотонный каскад, t₀ - радиационная единица длины.

Пространственные характеристики ливня изучаются в функции расстояния от оси ливня r, выраженного в мо-льеровских единицах х = r/r₀. Напр., плотность частиц , где N,- число частиц (электронов) в ливне на уровне наблюдения, f_e(х) - нормированная функция пространственного распределения, не зависящая от числа частиц N_e. Каскадная теория приводит к зависимости

где s - параметр, характеризующий "возраст ливня", C(s) меняется от 0,16 до 0,4 при изменении s от 0,5 до 1,5. Особенностью теории, учитывающей пространственное распределение частиц (а не только продольное развитие ливня), является рост s при уменьшении х.

Рис. 3. Круговая установка для регистрации электронной компоненты ливня; n -сцинтилляционные детекторы или группы годоскопических счётчиков.

При s2 плотность частиц перестаёт меняться с расстоянием. Область, где существует такой режим (r <= 1 м), наз. стволом ливня. Сравнение теории с экспериментом позволяет определить s. Каждый из детекторов Д на рис. 3 измеряет плотность частиц и время прихода фронта ливня с точностью до нc. Распределение плотности частиц определяет положение максимума плотности, т. е. оси ливня, а по времени запаздывания прихода фронта в разные детекторы вычисляется угол q наклона оси. При этом оказалось, что s составляет 1,2 на уровне моря и 1,1 на высоте гор. Столь слабая зависимость s от глубины - следствие электронноядерной природы каскада. Адроны высокой энергии, идущие в стволе, всё время подпитывают ливень и замедляют его "старение". На ядерные процессы указывает и медленное поглощение электронов ливня в атмосфере. В глубине атмосферы электроны Ш. а. л. движутся в равновесии с ад-ронами.

Зная распределение плотностей частиц в установке и предполагая осевую симметрию ливня, можно найти полное число частиц (электронов) в ливне на уровне наблюдения:

Можно также построить спектр ливней по числу частиц К (N_e, х)на разных глубинах x уровня наблюдения в атмосфере (рис. 4). На уровне моря этот спектр имеет вид

Эта зависимость установлена до N_e~10⁷.

Рис. 4. Спектры ливней по числу частиц на различных глубинах в атмосфере: 1) x = 500 г/см², 2) x = 700 г/см², 3) х= 1000 г/см² (уровень моря).

Используя модельные расчёты продольного развития ядерного каскада в атмосфере и измеренное число электронов N_e, можно оценить энергию первичной частицы, вызвавшей ливень. В случае чистого электронно-фотонного каскада это возможно. Однако в электронно-ядерном ливне существуют значит. колебания числа частиц (при фиксир. энергии), вызванные флуктуациями глубины первого акта взаимодействия и доли энергии, передаваемой вторичным частицам. С учётом этих флуктуации можно установить связь между N_e и ср. энергией первичной частицы. Это позволило Г. Б. Христиансену с сотрудниками сделать вывод об изменении спектра первичного космич. излучения для энергий ~4 · 10⁶ ГэВ.

Изучение Ш. а. л. ведётся с помощью комплексных установок, включающих систему детекторов для регистрации электронов, по распределению к-рых определяют положение оси Ш. а. л., угла её наклона q, числа частиц. Др. система детекторов служит для измерения адронной и мю-онной компонент, а также для регистрации черенковского свечения атмосферы под воздействием Ш. а. л. (рис. 5). Измеряется не только число частиц разного сорта, но и их энергия и пространственное распределение. Электроны макс. энергии сосредоточены вблизи оси, где их ср. энергия = 5 ГэВ, а их ср. энергия по всему ливню 0,2 ГэВ. Поэтому полная энергия электронно-фотонной компоненты на уровне моря =0,2 N_e ГэВ. Адроны высокой энергии ( ~ 10³ ГэВ) сосредоточены в стволе Ш. а. л. на расстоянии 1-2 м от оси. Их свойства изучают с помощью ионизационных калориметров, фотоэмульсионных и рент-геноэмульсионных камер. Число адронов с > 1 ГэВ не превышает 1 % от числа электронов, а суммарная энергия примерно равна энергии электронно-фотонной компоненты (= 0,15 N_e ГэВ). Эта энергия обеспечивает непрерывную подпитку электронно-фотонного каскада.

Рис. 5. Комплексная установка для изучения широкого атмосферного ливня на Тянь-Шане: 1-детектор электронов (до 45 м²); 2 -детектор мюонов (45 м²); 3-детектор времени прихода частиц ливня; 4 - сцинтилляционные детекторы (64 м²); 5 - детекторы положения ствола ливня; 6 - годоскопические счётчики; 7-ионизационный калориметр; 8-детекторы для регистрации черенковского излучения ливня; 9-подземный калориметр; 10 - подземный детектор мюонов.

Мюоны с энергией >300 МэВ регистрируются с помощью детекторов, экранированных толстыми слоями Pb (до 20 см); беззазорные магниты из намагниченного железа позволяют измерять энергию мюонов до 500 ГэВ и их электрич. заряд (рис. 6). Усреднённое пространственное распределение мюонов 10⁵<N_m< 10⁷ имеет вид (r в м)

Полная энергия мюонов, определяемая по их спектру на уровне моря, превышает энергию электронов и адронов, = 8,7^.N_e^0,8 ГэВ.

Рис. 6. Подземный магнитный спектрометр (МГУ) для изучения мюонов высокой энергии: 1 - искровые камеры; 2-сцинтилляционные детекторы; 3-обмотка электромагнита; 4 - намагниченное железо; m- трек мюона.

Одной из компонент Ш. а. л. является черенковское излучение. Коэф. преломления света n в воздухе мал: n- 1 =h = 2,9·10^-4 ехр (-h/7,1), h - высота над уровнем моря в км. Поэтому угол вылета и кол-во излучаемых фотонов N_ф малы: q_макс , dN_ф/dl=780h см^-1. На высоте 20 км образуется лишь 0,1 фотон/см. Однако число частиц в ливне велико, и кратковременная вспышка черен-ковского излучения (см. Черенкова- Вавилова излучение} от этих частиц может (при благоприятных условиях) превосходить флуктуации свечения ночного неба. Для регистрации черенковского излучения Ш. а. л. используются детекторы с фотоумножителями (рис. 7). Система таких детекторов позволяет вычислить полное кол-во фотонов от черенковской вспышки.

Рис. 7. а-Детектор большой площади с малым телесным углом; б-широкоапер гурный детектор малой площади; 1 - фотоумножитель, 2-параболическое зеркало.

В отличие от детекторов частиц, черенковские детекторы излучения позволяют измерить полное число фотонов, образовавшихся во всей атмосфере, т. е. использовать атмосферу в качестве калориметра. Полное число испущенных фотонов

где a - усреднённая доля частиц с энергией, превышающей пороговую для черенковского излучения (a = 0,4), a t - путь, выраженный в лавинных единицах (от точки взаимодействия до уровня наблюдения x₀). В результате подстановки численных значений a и dN_ф(t)/dt

T. к. энергия первичной частицы, выделившаяся в атмосфере, равна (e - критич. энергия), то E = 3,25 · 10^-5 Q ГэВ. Чтобы получить полную энергию первичной частицы , к этой величине необходимо добавить энергию, поглощённую ниже уровня наблюдения.

С помощью комплексных установок получена связь между числом частиц и энергией первичной частицы , измеренной по черенковскому излучению. Для высоты Памира (4000 м над уровнем моря) =80,7 N_e^0,8 ГэВ. Это позволило установить, что излом спектра первичного кос-мич. излучения (рис. 4) происходит при энергии 4·10 ⁶ ГэВ, а наклон степенного спектра изменяется от 1,8 при < 4·10⁶ до 2,3 при большей энергии.

Энергия радиоизлучения Ш. а. л. значительно меньше черенковского излучения в видимой области. Обусловлено это тем, что электроны и позитроны вызывают поляризацию атмосферы противоположного знака и поле скомпенсировано, т. к. расстояние между частицами меньше длины волны излучения. Излучение всё же возникает вследствие существования d-электронов (т. е. электронов высокой энергии, появляющихся при ионизации атомов заряж. частицами Ш. а. л.) и аннигиляции позитронов, а также из-за поляризации всего ливня в магн. поле Земли. Регистрация ведётся на частотах в десятки МГц. Радиоизлучение наблюдается на расстояниях в неск. км от ливня, что значительно увеличивает эфф. площадь установки и позволяет продвинуться в область предельно высоких энергий. Исследования проводились в Москве, Якутске, Аделаиде (Австралия) и др.

В США (в Университете Юта) изучается ионизац. свечение Ш. а. л.- свечение возбуждённых атомов азота. Установка включает 67 зеркал диаметром ок. 1,5 м и 880 фотоумножителей. Каждый фотоумножитель регистрирует свет в пределах телесного угла 6,57^.10^-3ср, а в сумме под наблюдением находится вся верх, полусфера. Такая структура напоминает фасеточный глаз насекомого и получила название "мушиный глаз". Она позволяет регистрировать траекторию ливня в атмосфере, а по яркости каждого участка проследить за продольным развитием ливня. Время высвечивания 10^-8 с, l = 250-450 нм. Интенсивность свечения возбуждённых атомов мала, но, в отличие от направленного черенковского излучения, оно изотропно и на расстояниях более 5 км от оси превалирует над черенковским.

Использование Ш. а. л. позволяет найти верх. границы энергетич. спектра космич. излучения и исследовать точечные источники космич. излучений, анизотропию первичного излучения, установить ядерный состав космич. лучей. В России и США разработаны проекты установок для изучения Ш. а. л. предельно высокой энергии площадью в тысячи км².

Литература по

1. Христиансен Г. Б., Куликов Г. В., Фомин Ю. А., Космическое излучение сверхвысокой энергии, M., 1975.
   

   В. С. Мурзин.
   

   к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  
   
   
   Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
   Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
   Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

   Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

   Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

   Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

   Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

   Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

   НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

   10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.