Космический луч - Cosmic ray

Космический поток в зависимости от энергии частиц

Космические лучи - это протоны и атомные ядра высокой энергии, которые движутся в космосе почти со скоростью света . Они происходят от Солнца , из-за пределов Солнечной системы в нашей собственной галактике и из далеких галактик. При столкновении с атмосферой Земли космические лучи производят поток вторичных частиц , некоторые из которых достигают поверхности ; хотя основная часть перехвачена магнитосферой или гелиосферой .

Космические лучи были обнаружены Виктором Гессом в 1912 году в экспериментах на воздушном шаре, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году .

Прямое измерение космических лучей, особенно при более низких энергиях, стало возможным с момента запуска первых спутников в конце 1950-х годов. Детекторы частиц, подобные тем, которые используются в ядерной физике и физике высоких энергий, используются на спутниках и космических аппаратах для исследования космических лучей. Данные космического телескопа Ферми (2013 г.) были интерпретированы как свидетельство того, что значительная часть первичных космических лучей происходит от взрывов сверхновых звезд. На основе наблюдений нейтрино и гамма - излучения от Blazar Txs 0506 + 056 в 2018 году, активные галактические ядра также появляются производить космические лучи.

Этимология

Термин луч является то неправильным, так как космические лучи были, первоначально, ошибочно полагают, в основном , электромагнитное излучение . В общепринятом научном обиходе частицы высокой энергии с собственной массой известны как «космические» лучи, в то время как фотоны , которые являются квантами электромагнитного излучения (и поэтому не имеют собственной массы), известны под своими общими названиями, такими как гамма-лучи или рентгеновские лучи. -лучей , в зависимости от их энергии фотонов .

Состав

Из первичных космических лучей, которые возникают за пределами атмосферы Земли, около 99% являются голыми ядрами хорошо известных атомов (без их электронных оболочек), а около 1% - одиночными электронами (то есть одним типом бета-частиц ). Около 90% ядер составляют простые протоны (т. Е. Ядра водорода); 9% - альфа-частицы , идентичные ядрам гелия; и 1% - ядра более тяжелых элементов, называемых ионами HZE . Эти доли сильно различаются в диапазоне энергий космических лучей. Очень небольшой фракции являются стабильными частицами антивещества , такие как позитроны или антипротонов . Точный характер этой оставшейся фракции является областью активных исследований. Активный поиск с орбиты Земли для анти-альфа - частиц не удалось обнаружить их.

Энергия

Космические лучи вызывают большой интерес практически из-за ущерба, который они наносят микроэлектронике и жизни за пределами защиты атмосферы и магнитного поля, а также с научной точки зрения, потому что энергии самых энергичных космических лучей сверхвысокой энергии приближаются к 3 × 10 20 эВ , что примерно в 40 миллионов раз больше энергии частиц, ускоренных Большим адронным коллайдером . Можно показать, что таких огромных энергий можно достичь с помощью центробежного механизма ускорения в активных ядрах галактик . Космические лучи сверхвысокой энергии наивысшей энергии (например, частицы OMG, зарегистрированные в 1991 г.) при 50 Дж имеют энергию, сравнимую с кинетической энергией бейсбольного мяча со скоростью 90 километров в час (56 миль в час). В результате этих открытий возник интерес к исследованию космических лучей еще большей энергии. Однако большинство космических лучей не имеют таких экстремальных энергий; Энергетическое распределение космических лучей достигает максимума при 0,3 гигаэлектронвольта (4,8 × 10 -11  Дж).

История

После открытия радиоактивности по Беккерелем в 1896 г., было принято считать , что атмосферное электричество, ионизации в воздухе , было вызвано только излучение от радиоактивных элементов в земле или радиоактивных газов или изотопов радона , которые они производят. Измерения увеличения скорости ионизации на увеличивающейся высоте над землей в течение десятилетия с 1900 по 1910 год можно объяснить поглощением ионизирующего излучения окружающим воздухом.

Открытие

Пачини проводит измерения в 1910 году.

В 1909 году Теодор Вульф разработал электрометр , устройство для измерения скорости образования ионов внутри герметично закрытого контейнера, и использовал его, чтобы показать более высокие уровни излучения на вершине Эйфелевой башни, чем на ее основании. Однако его статья, опубликованная в Physikalische Zeitschrift, не получила широкого признания. В 1911 году Доменико Пачини наблюдал одновременные изменения скорости ионизации над озером, над морем и на глубине 3 метра от поверхности. Пачини пришел к выводу из уменьшения радиоактивности под водой, что определенная часть ионизации должна быть вызвана источниками, отличными от радиоактивности Земли.

В 1912 году Виктор Гесс поднял три высокоточных электрометра Wulf на высоту 5300 метров в свободном полете на воздушном шаре . Он обнаружил, что скорость ионизации увеличилась примерно в четыре раза по сравнению со скоростью на уровне земли. Гесс исключил Солнце как источник излучения, подняв воздушный шар во время почти полного затмения. Поскольку Луна блокирует большую часть видимой радиации Солнца, Гесс все еще измерял возрастающую радиацию на повышающихся высотах. Он пришел к выводу, что «результаты наблюдений, по-видимому, наиболее вероятно объясняются предположением, что излучение очень высокой проникающей способности проникает сверху в нашу атмосферу». В 1913–1914 годах Вернер Кольхёрстер подтвердил более ранние результаты Виктора Гесса, измерив увеличенную скорость энтальпии ионизации на высоте 9 км.

Увеличение ионизации с высотой по измерениям Гесса в 1912 году (слева) и Кольхёрстера (справа)

Гесс получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году за свое открытие.

Гесс приземляется после полета на воздушном шаре в 1912 году.

Идентификация

Бруно Росси писал, что:

В конце 1920-х - начале 1930-х годов немецким физиком Эрихом Регенером и его группой была доведена до беспрецедентной степени совершенства техника самозаписывающих электроскопов, переносимых воздушными шарами в самые высокие слои атмосферы или погружаемых на большие глубины под водой . Этим ученым мы обязаны одними из самых точных из когда-либо сделанных измерений ионизации космических лучей в зависимости от высоты и глубины.

Эрнест Резерфорд заявил в 1931 году, что «благодаря прекрасным экспериментам профессора Милликена и еще более далеко идущим экспериментам профессора Регенера мы впервые получили кривую поглощения этих излучений в воде, на которую мы можем спокойно полагаться. на".

В 1920-х годах термин космические лучи был введен Робертом Милликеном, который провел измерения ионизации космических лучей от глубины под водой до больших высот и по всему земному шару. Милликен считал, что его измерения доказали, что первичные космические лучи были гамма-лучами; т.е. энергичные фотоны. И он предложил теорию, согласно которой они образовались в межзвездном пространстве как побочные продукты слияния атомов водорода с более тяжелыми элементами, и что вторичные электроны образовывались в атмосфере в результате комптоновского рассеяния гамма-лучей. Но затем, плывя с Явы в Нидерланды в 1927 году, Джейкоб Клей обнаружил доказательства, позже подтвержденные во многих экспериментах, что интенсивность космических лучей увеличивается от тропиков к средним широтам, что указывало на то, что первичные космические лучи отклоняются геомагнитным полем и следовательно, должны быть заряженные частицы, а не фотоны. В 1929 году Боте и Колхёрстер открыли заряженные частицы космических лучей, которые могли проникать через 4,1 см золота. Заряженные частицы такой высокой энергии не могли быть произведены фотонами в результате предложенного Милликеном процесса межзвездного синтеза.

В 1930 году Бруно Росси предсказал разницу между интенсивностями космических лучей, приходящих с востока и запада, которая зависит от заряда первичных частиц - так называемый «эффект восток-запад». Три независимых эксперимента показали, что интенсивность на самом деле больше с запада, что доказывает, что большинство первичных цветов являются положительными. В период с 1930 по 1945 годы широкий спектр исследований подтвердил, что первичные космические лучи в основном состоят из протонов, а вторичное излучение, производимое в атмосфере, состоит в основном из электронов, фотонов и мюонов . В 1948 году наблюдения ядерных эмульсий, переносимых воздушными шарами к верхним слоям атмосферы, показали, что примерно 10% первичных частиц представляют собой ядра гелия ( альфа-частицы ) и 1% - более тяжелые ядра таких элементов, как углерод, железо и свинец.

Во время испытания своего оборудования для измерения эффекта восток-запад, Росси заметил, что частота почти одновременных разрядов двух широко разнесенных счетчиков Гейгера была больше, чем ожидаемая частота случайностей. В своем отчете об эксперименте Росси писал: «... кажется, что время от времени записывающее оборудование поражается очень обширными потоками частиц, которые вызывают совпадения между счетчиками, даже расположенными на большом расстоянии друг от друга». В 1937 году Пьер Оже , не зная о более раннем отчете Росси, обнаружил то же явление и довольно подробно исследовал его. Он пришел к выводу, что частицы первичных космических лучей высокой энергии взаимодействуют с ядрами воздуха высоко в атмосфере, инициируя каскад вторичных взаимодействий, которые в конечном итоге приводят к ливню электронов и фотонов, которые достигают уровня земли.

Советский физик Сергей Вернов первым применил радиозонды для измерения космических лучей с помощью прибора, доставленного на большую высоту на воздушном шаре. 1 апреля 1935 года он провел измерения на высоте до 13,6 км, используя пару счетчиков Гейгера в цепи предотвращения совпадений, чтобы избежать подсчета вторичных ливней.

Хоми Дж. Бхабха вывел выражение для вероятности рассеяния позитронов электронами, процесс, теперь известный как рассеяние Бхабхи . В его классической статье, опубликованной совместно с Уолтером Хайтлером в 1937 году, описывается, как первичные космические лучи из космоса взаимодействуют с верхними слоями атмосферы, создавая частицы, наблюдаемые на уровне земли. Бхабха и Хайтлер объяснили образование ливня космических лучей каскадным образованием гамма-лучей и положительных и отрицательных электронных пар.

Распределение энергии

Измерения энергии и направления прихода первичных космических лучей сверхвысокой энергии по технике отбора проб плотности и быстрой синхронизации широких атмосферных ливней были впервые проведены в 1954 годе членами Росся космических лучей группы в Массачусетском технологическом институте . В эксперименте использовались одиннадцать сцинтилляционных детекторов, расположенных внутри круга диаметром 460 метров на территории станции Агассис обсерватории Гарвардского колледжа . Из этой работы и из многих других экспериментов, проведенных во всем мире, теперь известно, что энергетический спектр первичных космических лучей простирается за пределы 10 20  эВ. Огромный эксперимент с воздушным душем под названием Auger Project в настоящее время проводится на территории пампасов в Аргентине международным консорциумом физиков. Проект был первым во главе с Джеймсом Кронин , победитель 1980 Нобелевской премии по физике из Университета Чикаго , и Алан Уотсон из Университета Лидса , а позднее другими учеными международного Пьером Оже сотрудничества. Их цель - изучить свойства и направления прихода первичных космических лучей самых высоких энергий. Ожидается, что результаты будут иметь важное значение для физики элементарных частиц и космологии из-за теоретического предела Грейзена-Зацепина-Кузьмина для энергий космических лучей с больших расстояний (около 160 миллионов световых лет), который возникает выше 10 20  эВ из-за взаимодействия с остаточные фотоны, возникшие в результате Большого взрыва Вселенной. В настоящее время обсерватория Пьера Оже проходит модернизацию, чтобы повысить ее точность и найти доказательства еще не подтвержденного происхождения самых энергичных космических лучей.

Гамма-лучи высокой энергии (  фотоны > 50 МэВ) были наконец обнаружены в первичном космическом излучении в эксперименте Массачусетского технологического института, проведенном на спутнике OSO-3 в 1967 году. 1% первичных заряженных частиц. С тех пор множество спутниковых обсерваторий гамма-излучения составили карту гамма-неба. Самой последней является обсерватория Ферми, которая создала карту, показывающую узкую полосу интенсивности гамма-лучей, создаваемую дискретными и диффузными источниками в нашей галактике, и многочисленные точечные внегалактические источники, распределенные по небесной сфере.

Источники

Ранние предположения об источниках космических лучей включали предложение 1934 года Бааде и Цвикки о том, что космические лучи произошли от сверхновых. Предложение 1948 года Горация В. Бэбкока предполагало, что звезды с магнитной переменной могут быть источником космических лучей. Впоследствии Sekido et al. (1951) идентифицировали Крабовидную туманность как источник космических лучей. С тех пор на поверхность стали появляться самые разные потенциальные источники космических лучей, включая сверхновые , активные ядра галактик , квазары и гамма-всплески .

Источники ионизирующего излучения в межпланетном пространстве.

Более поздние эксперименты помогли с большей уверенностью идентифицировать источники космических лучей. В 2009 году в докладе, представленном на Международной конференции по космическим лучам учеными из обсерватории Пьера Оже в Аргентине, были показаны космические лучи сверхвысокой энергии, исходящие из места в небе, очень близкого к радиогалактике Центавр A , хотя авторы специально заявили, что Для подтверждения того, что Центавр А является источником космических лучей, потребуются дальнейшие исследования. Однако не было обнаружено никакой корреляции между падением гамма-всплесков и космических лучей, в результате чего авторы установили верхние пределы на уровне 3,4 × 10 -6 ×  эрг · см -2 для потока космических лучей 1 ГэВ - 1 ТэВ. от гамма-всплесков.

В 2009 году сверхновые были названы источником космических лучей. Это открытие было сделано группой исследователей с использованием данных, полученных с Очень Большого Телескопа . Этот анализ, однако, был оспорен в 2011 году данными ПАМЕЛА , которые показали, что «спектральные формы [ядер водорода и гелия] различны и не могут быть хорошо описаны одним степенным законом», что предполагает более сложный процесс образования космических лучей. . Однако в феврале 2013 года исследование, посвященное анализу данных Ферми, показало посредством наблюдения за распадом нейтрального пиона, что сверхновые действительно были источником космических лучей, причем каждый взрыв производил примерно 3 × 10 42 - 3 × 10 43 Дж космических лучей.  

Ускорение ударного фронта (теоретическая модель для сверхновых и активных ядер галактик): падающий протон ускоряется между двумя ударными фронтами до энергий высокоэнергетической составляющей космических лучей.

Однако сверхновые не производят все космические лучи, и доля космических лучей, которые они производят, - это вопрос, на который невозможно ответить без более глубокого исследования. Чтобы объяснить реальный процесс в сверхновых и активных ядрах галактик, который ускоряет лишенные атомы, физики используют ускорение фронта ударной волны в качестве аргумента правдоподобия (см. Рисунок справа).

В 2017 году Коллаборация Пьера Оже опубликовала результаты наблюдения слабой анизотропии в направлениях прихода космических лучей самых высоких энергий. Поскольку Центр Галактики находится в области дефицита, эту анизотропию можно интерпретировать как свидетельство внегалактического происхождения космических лучей при самых высоких энергиях. Это означает, что должна существовать энергия перехода от галактических источников к внегалактическим, и что могут быть разные типы источников космических лучей, вносящие вклад в разные диапазоны энергий.

Типы

Космические лучи можно разделить на два типа:

  • галактические космические лучи ( ГКЛ ) и внегалактические космические лучи , т. е. частицы высокой энергии, возникающие за пределами Солнечной системы, и
  • солнечные энергетические частицы , высокоэнергетические частицы (преимущественно протоны), испускаемые Солнцем, в основном при солнечных извержениях .

Однако термин «космические лучи» часто используется для обозначения только внесолнечного потока.

Первичная космическая частица сталкивается с молекулой атмосферы, создавая воздушный поток .

Космические лучи возникают как первичные космические лучи, которые первоначально образуются в различных астрофизических процессах. Первичные космические лучи состоят в основном из протонов и альфа-частиц (99%), с небольшим количеством более тяжелых ядер (≈1%) и очень незначительной долей позитронов и антипротонов. Вторичные космические лучи, вызванные распадом первичных космических лучей при воздействии на атмосферу, включают фотоны, лептоны и адроны , такие как электроны , позитроны, мюоны и пионы . Последние три из них были впервые обнаружены в космических лучах.

Первичные космические лучи

Первичные космические лучи в основном исходят из-за пределов Солнечной системы, а иногда даже из Млечного Пути . Когда они взаимодействуют с атмосферой Земли, они превращаются во вторичные частицы. Массовое отношение гелия к ядрам водорода, 28%, подобно изначальному элементному обилие соотношению этих элементов, 24%. Оставшаяся фракция состоит из других более тяжелых ядер, которые являются типичными конечными продуктами нуклеосинтеза, в первую очередь лития , бериллия и бора . Эти ядра появляются в космических лучах в гораздо большем количестве (≈1%) , чем в атмосфере Солнца, где они только около 10 -11 в изобилии , как гелий . Космические лучи, состоящие из заряженных ядер тяжелее гелия, называются ионами HZE . Из-за высокого заряда и тяжелой природы ионов HZE их вклад в дозу облучения космонавта в космосе значителен, хотя они относительно малы.

Эта разница в содержании является результатом того, как образуются вторичные космические лучи. Ядра углерода и кислорода сталкиваются с межзвездным веществом с образованием лития , бериллия и бора в процессе, называемом расщеплением космических лучей . Расщепление также отвечает за содержание ионов скандия , титана , ванадия и марганца в космических лучах, возникающих в результате столкновений ядер железа и никеля с межзвездным веществом .

При высоких энергиях состав меняется, и более тяжелые ядра имеют большее содержание в некоторых диапазонах энергий. Текущие эксперименты направлены на более точные измерения состава при высоких энергиях.

Первичное антивещество космических лучей

Спутниковые эксперименты показали наличие позитронов и нескольких антипротонов в первичных космических лучах, что составляет менее 1% частиц в первичных космических лучах. Они не кажутся продуктами большого количества антивещества, образовавшегося в результате Большого взрыва, или действительно сложного антивещества во Вселенной. Скорее, они, кажется, состоят только из этих двух элементарных частиц, вновь созданных в энергетических процессах.

Предварительные результаты действующего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02 ) на борту Международной космической станции показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности. В сентябре 2014 года новые результаты с почти вдвое большим объемом данных были представлены в докладе в ЦЕРН и опубликованы в Physical Review Letters. Было сообщено о новом измерении фракции позитронов до 500 ГэВ, показавшей, что доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа электрон + позитронных событий при энергии 275-32 ГэВ . При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи .

Антипротоны космических лучей также имеют гораздо более высокую среднюю энергию, чем их аналоги из нормальной материи (протоны). Они прибывают на Землю с характерным максимумом энергии 2 ГэВ, что указывает на их образование в процессе, принципиально отличном от протонов космических лучей, которые в среднем имеют только одну шестую энергии.

Нет никаких доказательств наличия сложных ядер атомов антивещества, таких как ядра антигелия (т. Е. Анти-альфа-частицы), в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02, получивший обозначение AMS-01 , был запущен в космос на борту космического корабля " Дискавери" на STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия, AMS-01 установил верхний предел 1,1 × 10 - 6 для отношения потоков антигелия к гелию .

Луна в космических лучах
Мюонная тень луны
Луны космических лучей тень «с, как показано на вторичных мюонов обнаружено 700 м под землей, в Soudan 2 детектора
Луна в гамма-лучах
Луна, наблюдаемая обсерваторией гамма-излучения Комптона в гамма-лучах с энергией более 20 МэВ. Они возникают в результате бомбардировки его поверхности космическими лучами.

Вторичные космические лучи

Когда космические лучи входят в атмосферу Земли, они сталкиваются с атомами и молекулами , в основном с кислородом и азотом. Взаимодействие производит каскад более легких частиц, так называемое вторичное излучение атмосферного ливня, которое проливается дождем, включая рентгеновские лучи , протоны, альфа-частицы, пионы, мюоны, электроны, нейтрино и нейтроны . Все вторичные частицы, образовавшиеся в результате столкновения, продолжают движение по траекториям в пределах одного градуса от первоначального пути первичной частицы.

Типичными частицами, образующимися в таких столкновениях, являются нейтроны и заряженные мезоны, такие как положительные или отрицательные пионы и каоны . Некоторые из них впоследствии распадаются на мюоны и нейтрино, которые могут достигать поверхности Земли. Некоторые мюоны высоких энергий даже проникают на некоторое расстояние в мелкие шахты, а большинство нейтрино проходят через Землю без дальнейшего взаимодействия. Другие распадаются на фотоны, создавая впоследствии электромагнитные каскады. Следовательно, в атмосферных ливнях после фотонов обычно преобладают электроны и позитроны. Эти частицы, а также мюоны могут быть легко обнаружены многими типами детекторов частиц, такими как камеры Вильсона , пузырьковые камеры , водно-черенковские или сцинтилляционные детекторы. Наблюдение вторичного ливня частиц в нескольких детекторах одновременно является признаком того, что все частицы пришли из этого события.

Космические лучи, падающие на другие планетные тела в Солнечной системе, обнаруживаются косвенно, наблюдая высокоэнергетическое гамма- излучение с помощью гамма-телескопа. Они отличаются от процессов радиоактивного распада своей более высокой энергией, превышающей примерно 10 МэВ.

Поток космических лучей

Обзор космической среды показывает взаимосвязь между солнечной активностью и галактическими космическими лучами.

Поток входящих космических лучей в верхних слоях атмосферы зависит от солнечного ветра , в магнитном поле Земли , а энергия космических лучей. На расстояниях ≈94  а.е. от Солнца солнечный ветер претерпевает переход от сверхзвуковой к дозвуковой скорости , называемый ударной волной . Область между ударной волной и гелиопаузой действует как барьер для космических лучей, уменьшая поток при более низких энергиях (≤ 1 ГэВ) примерно на 90%. Однако сила солнечного ветра непостоянна, и поэтому было замечено, что поток космических лучей коррелирует с солнечной активностью.

Вдобавок магнитное поле Земли отклоняет космические лучи от ее поверхности, что дает основания для наблюдения, что поток, по-видимому, зависит от широты , долготы и азимутального угла .

Комбинированное воздействие всех упомянутых факторов способствует потоку космических лучей на поверхность Земли. Следующая таблица частот причастия достигает планеты и выводится из излучения более низкой энергии, достигающего земли.

Относительные энергии частиц и скорости космических лучей
Энергия частицы ( эВ ) Скорость частиц (м −2 с −1 )
1 × 10 9 ( ГэВ ) 1 × 10 4
1 × 10 12 ( ТэВ ) 1
1 × 10 16 (10  ПэВ ) 1 × 10 −7 (несколько раз в год)
1 × 10 20 (100  ЭэВ ) 1 × 10 −15 (один раз в столетие)

В прошлом считалось, что поток космических лучей остается довольно постоянным во времени. Однако недавние исследования показывают, что поток космических лучей за последние сорок тысяч лет изменился в полтора-два раза в масштабе тысячелетия.

Величина энергии потока космических лучей в межзвездном пространстве очень сравнима с энергией других энергий дальнего космоса: плотность энергии космических лучей составляет в среднем около одного электрон-вольта на кубический сантиметр межзвездного пространства, или ≈1 эВ / см 3 , что составляет сравнимой с плотностью энергии видимого звездного света при 0,3 эВ / см 3 , плотностью энергии галактического магнитного поля (предполагается, что 3 микрогаусса), которая составляет ≈ 0,25 эВ / см 3 , или плотностью энергии космического микроволнового фона (CMB) излучения при ≈ 0,25 эВ / см 3 .

Методы обнаружения

Комплекс воздушных черенковских телескопов VERITAS .

Есть два основных класса методов обнаружения. Во-первых, прямое обнаружение первичных космических лучей в космосе или на большой высоте с помощью приборов, устанавливаемых на воздушном шаре. Во-вторых, косвенное обнаружение вторичных частиц, т. Е. Обширных атмосферных ливней при более высоких энергиях. Хотя были предложения и прототипы для обнаружения атмосферных ливней из космоса и с помощью воздушных шаров, в настоящее время проводимые эксперименты с высокоэнергетическими космическими лучами проводятся на земле. Обычно прямое обнаружение более точное, чем косвенное. Однако поток космических лучей уменьшается с увеличением энергии, что затрудняет прямое обнаружение в диапазоне энергий выше 1 ПэВ. Как прямое, так и косвенное обнаружение осуществляется несколькими способами.

Прямое обнаружение

Прямое обнаружение возможно с помощью всех видов детекторов частиц на МКС , на спутниках или на высотных аэростатах. Однако существуют ограничения по весу и размеру, ограничивающие выбор детекторов.

Примером метода прямого обнаружения является метод, разработанный Робертом Флейшером, П. Бьюфордом Прайсом и Робертом М. Уокером для использования в высотных аэростатах. В этом методе листы прозрачного пластика, например поликарбоната Lexan толщиной 0,25  мм , складываются вместе и подвергаются прямому воздействию космических лучей в космосе или на большой высоте. Ядерный заряд вызывает разрыв химической связи или ионизацию в пластике. В верхней части пластикового пакета ионизация меньше из-за высокой скорости космических лучей. По мере того как скорость космических лучей уменьшается из-за замедления в стопке, ионизация увеличивается по пути. Полученные пластиковые листы «протравливаются» или медленно растворяются в теплом растворе едкого натра , который удаляет поверхностный материал с медленной, известной скоростью. Едкий гидроксид натрия растворяет пластик с большей скоростью на пути ионизированного пластика. В результате в пластике образуется коническая ямка для травления. Ямки травления измеряются под микроскопом с большим увеличением (обычно 1600 × масляная иммерсия), и скорость травления наносится на график как функция глубины уложенного пластика.

Этот метод дает уникальную кривую для каждого атомного ядра от 1 до 92, позволяя идентифицировать как заряд, так и энергию космических лучей, проходящих через пластиковую стопку. Чем больше ионизация по пути, тем выше заряд. Помимо использования для обнаружения космических лучей, этот метод также используется для обнаружения ядер, образовавшихся в результате ядерного деления .

Косвенное обнаружение

В настоящее время используются несколько наземных методов обнаружения космических лучей, которые можно разделить на две основные категории: обнаружение вторичных частиц, образующих обширные атмосферные ливни (ШАЛ), с помощью различных типов детекторов частиц и обнаружение испускаемого электромагнитного излучения. по ШАЛ в атмосфере.

Обширные массивы воздушных ливней, состоящие из детекторов частиц, измеряют заряженные частицы, которые проходят через них. Массивы ШАЛ могут вести наблюдение за обширной областью неба и могут быть активны более 90% времени. Однако они в меньшей степени способны отделить фоновые эффекты от космических лучей, чем телескопы Черенкова в воздухе. В большинстве современных решеток ШАЛ используются пластиковые сцинтилляторы . Также вода (жидкая или замороженная) используется в качестве среды обнаружения, через которую частицы проходят и производят черенковское излучение, чтобы сделать их обнаруживаемыми. Поэтому в некоторых массивах используются черенковские детекторы воды / льда в качестве альтернативы или в дополнение к сцинтилляторам. Благодаря комбинации нескольких детекторов некоторые массивы ШАЛ могут отличать мюоны от более легких вторичных частиц (фотонов, электронов, позитронов). Доля мюонов среди вторичных частиц - один из традиционных способов оценки массового состава первичных космических лучей.

Исторический метод обнаружения вторичных частиц, который до сих пор используется в демонстрационных целях, включает использование камер Вильсона для обнаружения вторичных мюонов, образующихся при распаде пиона. В частности, облачные камеры могут быть построены из широко доступных материалов и могут быть построены даже в лаборатории средней школы. Пятый метод, включающий пузырьковые камеры , может использоваться для обнаружения частиц космических лучей.

Совсем недавно КМОП- устройства в широко распространенных камерах смартфонов были предложены в качестве практической распределенной сети для обнаружения атмосферных ливней от космических лучей сверхвысокой энергии. Первым приложением, использовавшим это предположение, был эксперимент CRAYFIS (космические лучи, обнаруженные в смартфонах). Затем, в 2017 году, коллаборация CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory) выпустила первую версию своего приложения с полностью открытым исходным кодом для устройств Android. С тех пор сотрудничество вызвало интерес и поддержку многих научных учреждений, учебных заведений и представителей общественности по всему миру. Будущие исследования должны показать, в каких аспектах этот новый метод может конкурировать со специализированными массивами ШАЛ.

Первый метод обнаружения во второй категории называется воздушный черенковский телескоп, разработанный для обнаружения космических лучей с низкой энергией (<200 ГэВ) путем анализа их черенковского излучения , которое для космических лучей представляет собой гамма-лучи, излучаемые, поскольку они движутся быстрее, чем скорость света в их среде, атмосфере. Хотя эти телескопы чрезвычайно хороши в различении фонового излучения и излучения космического происхождения, они могут хорошо работать только в ясные ночи, когда Луна не светит, и имеют очень маленькое поле зрения и активны только в течение нескольких процентов времени. .

Второй метод обнаруживает свет от флуоресценции азота, вызванной возбуждением азота в атмосфере ливнем частиц, движущихся через атмосферу. Этот метод является наиболее точным для космических лучей при самых высоких энергиях, особенно в сочетании с массивами детекторов частиц ШАЛ. Как и при обнаружении черенковского света, этот метод ограничен ясными ночами.

Другой метод обнаруживает радиоволны, излучаемые атмосферными ливнями. Этот метод имеет высокий рабочий цикл, аналогичный детекторам частиц. Точность этого метода была улучшена в последние годы, как показали различные эксперименты с прототипами, и может стать альтернативой обнаружению атмосферного черенковского света и флуоресцентного света, по крайней мере, при высоких энергиях.

Эффекты

Изменения в химии атмосферы

Космические лучи ионизируют молекулы азота и кислорода в атмосфере, что приводит к ряду химических реакций. Космические лучи также ответственны за непрерывное производство ряда нестабильных изотопов , таких как углерод-14 , в атмосфере Земли в результате реакции:

п + 14 Н → п + 14 С

Космические лучи поддерживали уровень углерода-14 в атмосфере примерно постоянным (70 тонн) в течение как минимум последних 100000 лет, до начала наземных испытаний ядерного оружия в начале 1950-х годов. Этот факт используется при радиоуглеродном датировании .

Продукты реакции первичных космических лучей, период полураспада радиоизотопа и реакция образования

Роль в окружающем излучении

Космические лучи составляют часть годового радиационного облучения людей на Земле, составляя в среднем 0,39  мЗв из 3  мЗв в год (13% от общего фона) для населения Земли. Однако фоновое излучение космических лучей увеличивается с высотой с 0,3  мЗв в год для районов на уровне моря до 1,0  мЗв в год для высокогорных городов, что увеличивает воздействие космической радиации до четверти от общего фонового излучения для населения указанных городов. . Экипажи авиакомпаний, летящие на дальние высотные маршруты, могут подвергаться  дополнительному облучению на 2,2 мЗв ежегодно из-за космических лучей, что почти вдвое увеличивает их общее воздействие ионизирующего излучения.

Среднее годовое радиационное облучение ( миллизиверты )
Радиация НКДАР ООН Принстон Штат Ва MEXT Замечание
Тип Источник В
среднем в мире
Типичный диапазон Соединенные Штаты Америки Соединенные Штаты Америки Япония
Естественный Воздух 1,26 0,2–10,0 а 2,29 2,00 0,40 В первую очередь от радона, (а) зависит от накопления радона в помещении.
Внутренний 0,29 0,2-1,0 б 0,16 0,40 0,40 В основном от радиоизотопов в пище ( 40 К , 14 С и т. Д.) (Б) зависит от диеты.
Наземный 0,48 0,3–1,0 с 0,19 0,29 0,40 (c) Зависит от состава почвы и строительного материала конструкций.
Космический 0,39 0,3–1,0 сут 0,31 0,26 0,30 (d) Обычно увеличивается с увеличением высоты.
Промежуточный итог 2,40 1,0–13,0 2,95 2,95 1,50
Искусственный Медицинское 0,60 0,03–2,0 3,00 0,53 2.30
Выпадать 0,007 0–1 + - - 0,01 Пик пришелся на 1963 год, а пик пришелся на 1986 год; по-прежнему высокий вблизи мест ядерных испытаний и аварий.
В Соединенных Штатах радиоактивные осадки относятся к другим категориям.
Другие 0,0052 0–20 0,25 0,13 0,001 Среднее годовое профессиональное облучение составляет 0,7 мЗв; горняки подвержены более высокому риску.
Население вблизи атомных станций получает дополнительно ≈0,02 мЗв ежегодно.
Промежуточный итог 0,6 От 0 до десятков 3,25 0,66 2.311
Общий 3,00 От 0 до десятков 6.20 3,61 3,81
Цифры относятся к периоду до ядерной катастрофы на Фукусима-дайити . Ценности, созданные НКДАР ООН, взяты из Японского национального института радиологических наук, который обобщил данные НКДАР ООН.

Влияние на электронику

Космические лучи обладают достаточной энергией, чтобы изменять состояния компонентов схемы в электронных интегральных схемах , вызывая переходные ошибки (такие как поврежденные данные в электронных запоминающих устройствах или некорректная работа процессоров ), часто называемые « мягкими ошибками ». Это было проблемой в электронике на очень большой высоте, например, в спутниках , но , поскольку транзисторы становятся все меньше и меньше, это становится все более серьезной проблемой и в наземной электронике. Исследования, проведенные IBM в 1990-х годах, показывают, что компьютеры обычно испытывают примерно одну ошибку, вызванную космическими лучами, на 256 мегабайт оперативной памяти в месяц. Чтобы решить эту проблему, корпорация Intel предложила детектор космических лучей, который можно интегрировать в будущие микропроцессоры высокой плотности , позволяя процессору повторять последнюю команду после события космического излучения. Память ECC используется для защиты данных от повреждения, вызванного космическими лучами.

В 2008 году повреждение данных в системе управления полетом привело к тому, что авиалайнер Airbus A330 дважды упал на сотни футов , что привело к травмам нескольких пассажиров и членов экипажа. Космические лучи были исследованы среди других возможных причин искажения данных, но в конечном итоге были исключены как очень маловероятные.

В августе 2020 года ученые сообщили , что ионизирующее излучение от окружающей среды радиоактивных материалов и космических лучей может существенно ограничить когерентность времена кубитов , если они не экранированы надлежащим образом, которые могут иметь решающее значение для реализации отказоустойчивых сверхпроводящие квантовые компьютеры в будущем.

Значение для аэрокосмических путешествий

Галактические космические лучи являются одним из важнейших препятствий на пути планов межпланетных путешествий космических кораблей с экипажем. Космические лучи также представляют угрозу для электроники, размещенной на борту исходящих зондов. В 2010 году неисправность на борту космического зонда " Вояджер-2" была связана с одним перевернутым битом, вероятно, вызванным космическим лучом. Были рассмотрены такие стратегии, как физическое или магнитное экранирование космических аппаратов, чтобы свести к минимуму ущерб электронике и людям, причиненный космическими лучами.

31 мая 2013 года ученые НАСА сообщили, что возможная пилотируемая миссия на Марс может быть связана с большим радиационным риском, чем считалось ранее, исходя из количества излучения энергичных частиц, обнаруженного RAD в Марсианской научной лаборатории во время путешествия с Земли на Марс в 2011–2012 гг.

Сравнение доз радиации, включая количество, зарегистрированное во время полета с Земли на Марс RAD на MSL (2011–2013 гг.).

На высоте 12 километров (39 000 футов) пассажиры и экипажи реактивных авиалайнеров подвергаются как минимум в 10 раз большей дозе космических лучей, чем люди на уровне моря . Особой опасности подвергаются самолеты, летающие по полярным маршрутам вблизи геомагнитных полюсов .

Роль в молнии

Космические лучи были причастны к возникновению электрического пробоя в молнии . Было высказано предположение, что по существу все молнии вызываются релятивистским процессом, или « неконтролируемым пробоем », вызванным вторичными космическими лучами. Последующее развитие разряда молнии происходит посредством механизмов «обычного пробоя».

Постулируемая роль в изменении климата

Роль космических лучей в климате была предложена Эдвардом П. Ней в 1959 году и Робертом Э. Дикинсоном в 1975 году. Было высказано предположение, что космические лучи могли быть ответственны за серьезные климатические изменения и массовое вымирание в прошлом. Согласно Адриану Меллотту и Михаилу Медведеву, 62-миллионные циклы морских биологических популяций коррелируют с движением Земли относительно галактической плоскости и увеличением воздействия космических лучей. Исследователи предполагают , что это и гамма - бомбардировки , вытекающие из местных сверхновых могли повлиять рак и мутации ставки , и может быть связан с решительными изменениями в климате Земли, и к вымираний в ордовике .

Датский физик Хенрик Свенсмарк спорно утверждал, что, поскольку солнечные вариации модулируют поток космических лучей на Земле, они, следовательно, влияют на скорость образования облаков и, следовательно, являются косвенной причиной глобального потепления . Свенсмарк - один из нескольких ученых, открыто выступающих против основной научной оценки глобального потепления, что вызывает опасения, что предположение о том, что космические лучи связаны с глобальным потеплением, может быть идеологически необъективным, а не научно обоснованным. Другие ученые резко критиковали Svensmark за небрежную и непоследовательную работу: один пример - корректировка облачных данных, которая занижает ошибку в данных более низкого уровня, но не в данных высокого уровня облачности; Другой пример - «неправильная обработка физических данных», в результате чего графики не показывают корреляций, которые, как они утверждают, показывают. Несмотря на утверждения Свенсмарка, галактические космические лучи не показали статистически значимого влияния на изменения облачного покрова, а исследования показали, что они не имеют причинно-следственной связи с изменениями глобальной температуры.

Возможный массовый коэффициент вымирания

Несколько исследований пришли к выводу, что соседняя сверхновая звезда или серия сверхновых вызвали вымирание морской мегафауны в плиоцене , существенно повысив уровень радиации до опасного уровня для крупных морских животных.

Исследования и эксперименты

Существует ряд инициатив по исследованию космических лучей, перечисленных ниже.

Наземный

спутниковое

На воздушном шаре

Смотрите также

использованная литература

Дальнейшие ссылки

внешние ссылки