Новые отечественные и зарубежные установки физики космических лучей и решаемые проблемы.

проблемы.

во время полета на воздушном шаре. Благодаря тому, что Земля

обладает атмосферой, они представляют собой альтернативный ускорителям способ наблюдения элементарных частиц и взаимодействий между ними. В 30-х годах прошлого века Пьер Оже открыл широкие атмосферные ливни космических лучей (ШАЛ).

Рис.1

частицы высокой энергии, налетающей в атмосфере Земли на ядро атома

воздуха. Число частиц в ШАЛ, например на уровне моря в районе Москвы, составляет примерно 2 млн. Схема ШАЛ напоминает треки частиц в камере Вильсона. Четко выделяются 3 составляющих ливня – от электромагнитных взаимодействий (электромагнитный каскад), каскады от сильных и слабых взаимодействий.

детекторами, когда ливень частиц рождает в веществе-сцинтилляторе электрон-фотонную пару, и

2) регистрацию частиц по черенковскому излучению (ИЧ), излучаемому частицами, движущимися со скоростью, большей скорости света в среде. Длина волны ИЧ лежит в видимой части спектра, поэтому основную часть черенковского детектора образуют зеркала, регистрирующие этот свет. Оба способа регистрации имеют свои плюсы и минусы и должны взаимно дополнять друг друга. Еще один тип детекторов – детекторы типа "глаз мухи" – улавливают излучение атомов азота в атмосфере, возникающее при прохождении ШАЛ, с помощью трубок фотоэлементов.

Рис. 2. Сцинтилляционный детектор с фотокатодом, сцинтиллятором и системой промежуточных динодов усиления.

и преимущественно черенковскими детекторами, которые либо уже построены, либо находятся

в стадии строительства. Сцинтилляционные детекторы установлены в европейской обсерватории Гран Сассо (итальянские Альпы), в Баксанской Нейтринной Обсерватории (БНО), в китайской обсерватории "Тибет", самой высокогорной обсерватории в мире "Чакалтая" (Колумбия – 6200 м над уровнем моря). Черенковские детекторы установлены в Байкальской Нейтринной обсерватории, средиземноморских подводных обсерваториях, на Южном Полюсе (установка "Аманда"), самой большой в мире обсерватории "Пьер Оже" (Аргентина), японской обсерватории "Суперкамиоканда".

телескоп типа "глаз мухи".

гамма-телескопов.

сети расположены в Северной Америке (Коллаборация VERITAS – каньон Китт

Пик – обсерватории WHIPPLE), телескоп MAGIK на Канарских островах, коллаборация HESS в Южной Африке, японский телескоп KANGUROO в Австралии.

метровой глубины, оборудованный черенковскими детекторами. Нейтринные телескопы регистрируют нейтрино косвенным образом

по продуктам распада этих нестабильных частиц. Наиболее долгоживущей фракцией распада нейтрино являются заряженные мюоны, длина пробега которых в атмосфере Земли достигает сотен метров. Именно их регистрируют детекторы телескопов.

которые не регистрируются непосредственно. Электроны образуют в атмосфере фон, препятствующий

регистрации. Время жизни мюона τ ~ 2.2 × 10-6 с. За это время он должен быть зарегистрирован детекторами. Сеть современных нейтринных телескопов, работающих с ИЧ, покрывает весь мир.

позволяют продвигаться в область высоких энергий и исследовать законы физики

в данной области.

Вселенную. Основная цель проводимых исследований – фундаментальная физика. Возможная прикладная

цель – борьба за новые неизвестные сейчас источники энергии.

Рис. 11. Шкала энергий, подвластных нейтринным телескопам. 1 Gev = 1 млн. эВ.
В районе станции Амундсен–Скотт на Южном полюсе находятся строящийся детектор Ice Cube и работающий нейтринный детектор "Аманда".

методах регистрации. Так, нагретый канал ливня излучает радиоволны (излучение Аскарьяна).

Опыты по его регистрации проводятся международной коллаборацией на Южном полюсе. Акустические волны от ШАЛ регистрируются в океане системой гидрофонов, которая была создана в годы "холодной войны" для защиты от подводных лодок. Эти методы не являются сегодня точными методами. Исследования в этом направлении носят поисковый характер.

Рис. 12. Детектирование ШАЛ из космоса.
Коллаборация Ice Cube (станция Амундсен–Скотт)

полюсе. Для сравнения приведен рисунок эйфелевой башни.

маятников.

установки "Суперкамиоканде", изображенной в разрезе.

собой большой циллиндрический бак с водой, на стенках и торцах

которого установлены черенковские детекторы. На этой установке была доказана гипотеза об осцилляциях нейтрино различных ароматов (подобно системе связанных маятников). За это открытие руководитель коллектива экспериментаторов Масатоши Кошиба вместе с классиком физики космических лучей Раймондом Девисом получил в 2002 г. нобелевскую премию по физике.

РАН.

увеличить. Установка "Ковер-3" новой международной коллаборации представляет собой правильный 6-ти

угольник площадью 2 кв. км. Расстояние между детекторами нового "Ковра" составит 4 см., тогда как на установке "Пьер Оже" оно составляет 300 м. Это позволит сосредоточить в малом объеме установки мощные современные детекторы, мониторирующие ШАЛ с той же высокой точностью без потери информции о нем за счет пустот между детекторами. Установка предполагается многоэтажной, что еще более повышает ее чувствительность по сравнению с зарубежными аналогами. В ее состав войдут 16 калибровочных черенковских телескопов для точного измерения треков мюонов и детекторы тепловых нейтронов для измерения адронной компоненты ШАЛ. Ориентировочая дата пуска 2011 – 2012 гг.

до Е ~ 1021.

Понять механизм этого излучения – одна из задач современной физики.

потока адронов от энергии). Сегодня он содержит большие экспериментальные ошибки.

Уточнение спектра – один из ключей к пониманию природы материи и законов физики.