Доктор физико-математических наук Б. А. ХРЕНОВ, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ) МГУ им. М. В. Ломоносова

стр. 12

Наблюдение небесных явлений, духовное общение с космосом издревле стало частью культуры народов. Среди таких объектов "падающие звезды" (метеоры) - одни из самых популярных благодаря тому, что они видны невооруженным глазом. Их светящиеся следы в ночном небе остаются и сегодня важным объектом исследований.

Оказывается, "падающие звезды" отличаются друг от друга происхождением. Одни из них возникают при попадании в атмосферу частичек космической материи той или иной величины (метеоры), летящих со скоростью в десятки километров в секунду В результате столкновения с молекулами воздуха они, удерживаемые вместе химическими силами, разваливаются с выделением тепла и света. Совсем другую природу имеет свечение, вызываемое элементарными частицами, "прибывшими" из далекого космоса и ускоренными до очень высоких энергий (их принято называть космическими лучами). Здесь уже о прямом горении речь не идет, так как силы, "скрепляющие" их вещество, несравненно сильнее химических. Что же происходит на самом деле?

Посланцы космоса, взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы (в основном азота или кислорода), производят новые (вторичные) частицы. В свою очередь последние тоже сталкиваются с ядрами атомов атмосферы и появляется еще одно их поколение. В конечном счете возникает так называемый "ядерный каскад". Важнейшую роль в его развитии играют вторичные и К-мезоны, быстро распадающиеся на фотоны высокой энергии (гамма- кванты) ^* . При взаимодействии с составляющими атмосферы они рождают пару электрон-позитрон. А те при столкновениях воссоздают своих "родителей". В итоге в атмосфере Земли образуется каскад из электронов, позитронов и гамма-квантов. В целом этот интенсивный поток частиц, летящих со скоростью света, сосредоточен в условно ограниченном пространстве, имеющем форму диска, толщина и ширина которого определяются рассеянием частиц в атмосфере, и изменяются в зависимости от ее плотности. Скажем, на уровне моря и в горах толщина диска составляет всего несколько метров, а радиус - около ста. Но данные параметры не означают, что все частицы сосредоточены только в этом пространстве. Некоторые из них улетают и за несколько километров. Значительная ширина возни-

^* См.: Л. Н. Смирнова. Симметрии и их нарушения в микромире. - Наука в России, 1997, N 6 (прим. ред.).

стр. 13

кающего образования дала название и всему каскаду - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Априори отметим: именно большая площадь диска позволила зарегистрировать первичные космические лучи огромной энергии - свыше 1 Дж.

В 1934 г. российский ученый П. А. Черенков (впоследствии академик) обнаружил, что заряженные частицы, летящие не в вакууме, а в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света, испускают видимое излучение, направленное по их движению. Этому эффекту подчиняются электроны и позитроны каскада. Изучая испускаемый ими черенковский свет с помощью специальных приборов - детекторов, расположенных на большой площади, - можно количественно определить энергию первичных космических лучей и направление их прихода.

Черенковское излучение - не единственный источник света от диска ШАЛ. Его заряженные частицы при встрече с атмосферой "возбуждают" атомы и молекулы (т.е. электроны переходят на более высокие энергетические уровни) или даже ионизируют их (получается свободный электрон и положительный ион). Перечисленные процессы весьма близки к горению и, значит, можно сказать, что каскад частиц ШАЛ в конечном счете "сгорает" в атмосфере. Возбужденные атомы или молекулы воздуха довольно быстро (время их жизни в таком состоянии всего несколько тысячных микросекунд) и изотропно излучают свет (флуоресценция атмосферы). В результате диск частиц ШАЛ начинает светиться как метеор с той разницей, что скорость его перемещения равна скорости света ("релятивистский метеор"). Однако визуальному восприятию он не поддается. Для регистрации подобного явления необходимо использовать специальную камеру с зеркалом- концентратором сигнала площадью не менее 1 м ² . Одним из первых в 1962 г. на возможность регистрации света флуоресценции от ШАЛ ультравы-

стр. 14

соких энергий обратил внимание академик А. Е. Чудаков.

Следует подчеркнуть: соответствующие наблюдения не являются самоцелью. Измеряя направление движения диска ШАЛ и яркость его флуоресцентного свечения, можно определить главные параметры первичной космической частицы: ее энергию и направление прилета.

Развитие современных технологий - детектирование слабых потоков света (использование фотоумножителей с усилением сигнала в миллионы раз), регистрация быстрых процессов (получение изображения с частотой развертки в десятки миллионов кадров в секунду) и применение зеркал-концентраторов большой площади позволили создать специальные оптические устройства - камеры для наблюдения "релятивистских метеоров".

Светящийся в атмосфере след космической частицы высокой энергии - весьма своеобразный объект наблюдения, практически единственный в своем роде. Его не только нельзя ни с чем спутать, но и имитировать - даже движение лидера искрового разряда молнии происходит со скоростью в сотни раз меньшей ^* . Эта особенность позволяет выделить сравнительно слабое свечение диска ШАЛ на фоне других явлений ночного неба.

Первые необходимые измерения были проведены с помощью специальных флуоресцентных детекторов, состоящих из отдельных узконаправленных элементов, расположенных так, что все сооружение напоминает глаз мухи. Не случайно такая установка в Университете штата Юта (США) так и была названа - "Глаз мухи" (Fly's Eye). По сравнению с другими детекторами ШАЛ она позволяет наблюдать значительно большую площадь. Именно это свойство, а также удачное местоположение (пустынная местность с хорошей прозрачностью атмосферы, свободная от световых помех) и привели к регистрации элементарной частицы с энергией 30 Дж - самой энергичной из известных до сих пор.

Несмотря на большие успехи, достигнутые в изучении ШАЛ с помощью подобных установок, их возможности оказались ограничены. Преградой стало то, что прозрачность атмосферы в горизонтальном направлении на поверхности Земли (а именно там приборы и размещены) низка. Выходит, для слежения за большими площадями столь дорогостоящие детекторы необходимо помещать через каждые 30 км. Но ведь наша планета состоит не из одних пустынь, поэтому такой путь не реален.

Однако в этом плане неоценимый подарок ученым преподнесло освоение космоса. Оказывается, если детектор флуоресценции атмосферы поместить на спутнике Земли и наблюдать "релятивистские метеоры" оттуда, то для исследований открываются практически неограниченные перспективы. Дело в том, что атмосфера нашей планеты при наблюдении из космоса очень прозрачна (особенно удобен для наблюдения верхний ее слой, выше облаков, где ШАЛ выделяет большую часть своей энергии) и обозреваемая площадь зависит только от высоты орбиты спутника и угла обзора детектора. Скажем, прибор с углом обзора 120, установленный на Международной космической станции (высота орбиты в среднем 400 км), "видит" площадь около 1 млн. км ² .

Сегодня в ряде стран уже разрабатывают конструкции орбитальных детекторов. Занимается этой работой и наш институт. Мы подготовили проекты двух экспериментов: один под условным названием "Трековая установка" (ТУС), другой - "Космические лучи предельно высоких энергий" (КЛПВЭ). Цель их - исследование космических лучей ультравысоких энергий, т.е. выше 1 Дж.

Основными элементами задуманного прибора служат сегментированное зеркало-концентратор и фотоприемник в его фокусе. Причем у этого зеркала есть одна особенность - на Земле оно компактно упаковано, а после доставки на орбиту разворачивается до больших площадей (ТУС - 1,5; КЛПВЭ - до 10 м ² ). Как работает такой детектор? Свет, "схваченный" зеркалом, собирается в его фокусе, где расположен фотоприемник, состоящий из быстрых фотоэлектронных умножителей - приборов, в каждом из которых световые лучи превращаются в электрический сигнал. Его амплитуда и время преобразуются в цифровой код, поступающий в компьютер. Последний анализирует всю информацию и реконструирует картинку движения диска частиц ШАЛ в поле зрения детектора.

С помощью этого орбитального "глаза" можно будет наблюдать "релятивистские метеоры" на площади в десятки тысяч квадратных километров, но на ночной стороне Земли. Кстати, такие установки способны регистрировать не только след флуоресцирующего диска ШАЛ, но и отраженный от облаков (или поверхности Земли) че-

Схема зеркала:

1- зеркальные сегменты;

2 - лучи света.

^* См.: А. А. Перунов и др. Теперь молнии не страшны. - Наука в России, 2000, N 2 (прим. ред.).

стр. 15

ренковский свет ШАЛ. Полученные данные дополнят информацию о первичной частице и позволят определить положение трека "релятивистского метеора" относительно поверхности Земли.

Вообще такое явление, как "релятивистский метеор", представляет исключительный интерес для понимания фундаментальных основ строения микро- и макромира. Космические частицы, наблюдаемые как "метеоры", обладают энергией (или в "релятивистском" понимании - массой) в миллионы раз большей, чем можно получить на самых современных ускорителях. Мы пока не знаем, как работает их "космический собрат". Ведь только исключительно редкие далекие объекты с известными размерами и силой магнитных полей способны удержать в области ускорения частицы с энергией более нескольких джоулей. Как сделать то же самое в земных условиях - тайна за семью печатями.

Помимо всего прочего, существование космических частиц с энергией выше 8 Дж (сегодня их зарегистрировано более десятка) противоречит равномерному распределению их источников по Вселенной. В 1966 г. было экспериментально доказано существование электромагнитного излучения, оставшегося после Большого взрыва (реликтовое излучение) и равномерно в основном ее заполняющего. Тогда же российские ученые Г. Т. Зацеп ин (впоследствии академик) и В. А. Кузьмин и независимо от них К. Грейзен (США) показали, что протоны с энергией выше 8 Дж взаимодействуют с реликтовыми фотонами и быстро поглощаются. Расстояния, на которых это не происходит, в масштабах Вселенной невелики - всего 50 мегапарсек ^* . Размеры изученной части мироздания на сегодняшний день составляют 1000 мегапарсек, значит, более отдаленные источники частиц не наблюдаются.

Однако в этой истории есть две загадки. Во-первых, на указанных расстояниях трудно найти космический объект, способный ускорить частицы до таких энергий. Во-вторых, направление прилета зарегистрированных протонов не совпадает ни с одним из объектов, хотя бы отдаленно приближающимся по своим данным к кандидату на такой ускоритель.

Не так давно отечественные и зарубежные ученые пришли к неожиданному выводу: зарегистрированные частицы вообще никогда не были ускорены. Они - результат распада так называемых пра-частиц с огромной массой около 10 эВ (для сравнения скажем: самые тяжелые из сейчас известных - бозоны - имеют массу 10" эВ), давно предсказанных в теории единого происхождения всех известных в природе взаимодействий (так называемых частиц "великого объединения"). И теоретики считают: хотя после Большого взрыва основная масса вещества перешла в состояние, которое наблюдается в настоящее время, на отдаленных участках Вселенной материя сохранилась в исходном положении, т.е. состоит из пра-частиц.

Собранная на сегодняшний день информация о "релятивистских метеорах" склоняет ученых именно к этой версии. Появившаяся возможность наблюдать их из космоса позволяет поставить совсем фантастическую задачу - экспериментально исследовать состояние вещества на стадии первых мгновений его существования.

В заключение отметим: эксперименты "Трековая установка" и "Космические лучи предельно высоких энергий" наш институт выполняет совместно с физиками Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и ряда университетов Мексики.

Схема детектора ТУС:

1, 2 - фотоэлектронные умножители;

3 - ряды фотоэлектронных умножителей;

4 - фотоприемник в фокусе зеркала.

^* Мегапарсек - единица измерения космических расстояний, равная миллиону парсек; один парсек равен 3,26 световых лет или 3,086 х 10 ¹³ км (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: