Космические лучи — это высокоэнергетические протоны и атомные ядра , которые движутся в пространстве почти со скоростью света . Они происходят от Солнца , из-за пределов Солнечной системы в нашей собственной галактике [1] и из далеких галактик. [2] При столкновении с атмосферой Земли космические лучи производят потоки вторичных частиц , некоторые из которых достигают поверхности ; хотя основная часть перехватывается магнитосферой или гелиосферой .
Космические лучи были открыты Виктором Гессом в 1912 году в экспериментах на воздушном шаре, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году . [3]
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 зондах для исследования космических лучей. [4] Данные космического телескопа Ферми (2013 г.) [5] были интерпретированы как свидетельство того, что значительная часть первичных космических лучей возникает в результате вспышек сверхновых звезд. [6] На основе наблюдений нейтрино и гамма-лучей от блазара TXS 0506+056 в 2018 г. активные ядра галактиктакже, по-видимому, производят космические лучи. [7] [8]
Термин « лучи » является несколько неправильным, поскольку изначально ошибочно считалось, что космические лучи представляют собой в основном электромагнитное излучение . В обычном научном обиходе [9] высокоэнергетические частицы с собственной массой известны как «космические» лучи, а фотоны , которые являются квантами электромагнитного излучения (и поэтому не имеют собственной массы), известны под их общими именами, такими как гамма-излучение . лучи или рентгеновские лучи , в зависимости от их фотонной энергии .
Из первичных космических лучей, которые возникают за пределами земной атмосферы, около 99 % составляют голые ядра хорошо известных атомов (лишенные своих электронных оболочек), а около 1 % — это уединенные электроны (то есть один тип бета-частиц ). Из ядер около 90% составляют простые протоны (т. е. ядра водорода); 9% — альфа-частицы , идентичные ядрам гелия; и 1% — это ядра более тяжелых элементов, называемых ионами HZE . [10] Эти доли сильно различаются в диапазоне энергий космических лучей. [11] Очень небольшая часть представляет собой стабильные частицы антиматерии , такие как позитроны или антипротоны .. Точная природа этой оставшейся фракции является областью активных исследований. Активный поиск анти-альфа-частиц с околоземной орбиты не дал результатов. [12]
Космические лучи вызывают большой практический интерес из-за вреда, который они наносят микроэлектронике и жизни вне защиты атмосферы и магнитного поля, а также с научной точки зрения, поскольку энергии самых энергичных космических лучей сверхвысоких энергий , как было замечено, приближаются к 3 × 10 20 эВ , [13] примерно в 40 миллионов раз больше энергии частиц, ускоренных Большим адронным коллайдером . [14] Можно показать, что такие огромные энергии могут быть достигнуты с помощью центробежного механизма ускорения в активных ядрах галактик . При 50 Дж [15]космические лучи сверхвысокой энергии с самой высокой энергией (такие как частица OMG, зарегистрированная в 1991 году) 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 больших энергий. [16] Большинство космических лучей, однако, не имеют таких экстремальных энергий; энергетическое распределение космических лучей достигает пика при 0,3 гигаэлектронвольта (4,8 × 10 -11 Дж). [17]
После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивности , обычно считалось, что атмосферное электричество, ионизация воздуха , вызвано только излучением радиоактивных элементов в земле или радиоактивных газов или изотопов радона , которые они производят. [18] Измерения увеличения скорости ионизации на увеличивающейся высоте над землей в течение десятилетия с 1900 по 1910 год можно объяснить поглощением ионизирующего излучения промежуточным воздухом. [19]
В 1909 году Теодор Вульф разработал электрометр , устройство для измерения скорости производства ионов внутри герметично закрытого контейнера, и использовал его, чтобы показать более высокие уровни радиации на вершине Эйфелевой башни , чем у ее основания. 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 м от поверхности. По уменьшению радиоактивности под водой Пачини пришел к выводу, что определенная часть ионизации должна быть связана с другими источниками, помимо радиоактивности Земли. [20]
В 1912 году Виктор Гесс поднял три электрометра Вульфа повышенной точности [3] 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. [3] Гесс исключил Солнце как источник радиации, совершив подъем на воздушном шаре во время почти полного затмения. Поскольку Луна блокировала большую часть видимого солнечного излучения, Гесс все еще измерял восходящее излучение на возрастающих высотах. [3] Он пришел к выводу, что «результаты наблюдений, по-видимому, объясняются, скорее всего, предположением о том, что излучение очень высокой проникающей способности проникает сверху в нашу атмосферу». [21] В 1913–1914 гг . Вернер Кольхёрстерподтвердил более ранние результаты Виктора Гесса, измерив увеличение скорости энтальпии ионизации на высоте 9 км.
Гесс получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году за свое открытие. [22] [23]
Бруно Росси писал, что:
В конце 1920-х — начале 1930-х годов немецкий физик Эрих Регенер и его группа довели до небывалой степени совершенства технику самопишущих электроскопов, переносимых на аэростатах в самые высокие слои атмосферы или опускаемых на большие глубины под воду . Этим ученым мы обязаны одними из самых точных измерений ионизации космическими лучами в зависимости от высоты и глубины. [24]
Эрнест Резерфорд заявил в 1931 году, что «благодаря прекрасным экспериментам профессора Милликена и еще более далеко идущим экспериментам профессора Регенера мы теперь впервые получили кривую поглощения этих излучений в воде, на которую мы можем с уверенностью полагаться. на". [25]
В 1920-х годах термин « космические лучи » был придуман Робертом Милликеном , который проводил измерения ионизации, вызванной космическими лучами, от глубоководных 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 синтеза атомов водорода в более тяжелые элементы, а вторичные электроны образовались в атмосфере в результате комптоновского рассеяния гамма-лучей. Но затем, плывя с Явы в Нидерланды в 1927 году, Джейкоб Клей нашел доказательства, [26]позже подтверждено во многих экспериментах, что интенсивность космических лучей увеличивается от тропиков к средним широтам, что указывает на то, что первичные космические лучи отклоняются геомагнитным полем и, следовательно, должны быть заряженными частицами, а не фотонами. В 1929 году Боте и Кольхёрстер открыли заряженные частицы космических лучей, способные проникать сквозь 4,1 см золота. [27] Заряженные частицы такой высокой энергии не могли быть произведены фотонами из предложенного Милликеном процесса межзвездного синтеза. [ нужна ссылка ]
В 1930 г. Бруно Росси предсказал разницу между интенсивностью космических лучей, приходящих с востока и запада, которая зависит от заряда первичных частиц — так называемый «эффект восток-запад». [28] Три независимых эксперимента [29] [30] [31] обнаружили, что интенсивность, на самом деле, больше с запада, доказывая, что большинство основных цветов положительны. За годы с 1930 по 1945 годы самые разнообразные исследования подтвердили, что первичные космические лучи в основном состоят из протонов, а вторичное излучение, производимое в атмосфере, в основном состоит из электронов, фотонов и мюонов.. В 1948 году наблюдения за ядерными эмульсиями, доставленными воздушными шарами почти в верхнюю часть атмосферы, показали, что примерно 10 % первичных частиц составляют ядра гелия ( альфа-частицы ), а 1 % — ядра более тяжелых элементов, таких как углерод, железо и свинец. [32] [33]
Во время испытания своего оборудования для измерения эффекта восток-запад Росси заметил, что скорость почти одновременных разрядов двух далеко разнесенных счетчиков Гейгера была больше, чем ожидаемая частота случайностей. В своем отчете об эксперименте Росси писал: «... кажется, что время от времени на записывающее оборудование обрушиваются очень обширные потоки частиц, что вызывает совпадения между счетчиками, даже расположенными на большом расстоянии друг от друга». [34] В 1937 году Пьер Оже, не зная о более раннем отчете Росси, обнаружил то же самое явление и исследовал его довольно подробно. 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 потоку электронов и фотонов, достигающих уровня земли. [35]
Советский физик Сергей Вернов первым использовал 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 схеме антисовпадения, чтобы избежать подсчета вторичных ливней. [36] [37]
Хоми Дж. Бхабха вывел выражение для вероятности рассеяния позитронов электронами, процесс, теперь известный как рассеяние Бхабха . 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 потока космических лучей каскадным образованием гамма-лучей и пар положительных и отрицательных электронов. [38] [39]
Измерения энергии и направления прихода первичных космических лучей сверхвысоких энергий с помощью методов отбора проб плотности и быстрой синхронизации обширных атмосферных ливней были впервые выполнены в 1954 году членами группы космических лучей Росси в Массачусетском технологическом институте. . [40] В эксперименте использовались одиннадцать сцинтилляционных детекторов, расположенных по кругу диаметром 460 метров на территории станции Агассис обсерватории Гарвардского колледжа . Из этой работы и из многих других экспериментов, проведенных по всему миру, теперь известно, что энергетический спектр первичных космических лучей простирается за пределы 10 20 эВ. В настоящее время международный консорциум физиков проводит в пампасах Аргентины огромный эксперимент с воздушным ливнем под названием « Проект Оже» . Проектом сначала руководили Джеймс Кронин , лауреат Нобелевской премии по физике 1980 года из Чикагского университета , и Алан Уотсон из Университета Лидса , а позже ученые международной коллаборации Пьера Оже. Их цель — исследовать свойства и направления прихода первичных космических лучей с очень высокой энергией. [41] Ожидается, что результаты будут иметь важное значение для физики элементарных частиц и космологии из-за теоретическогоПредел Грейзена-Зацепина-Кузьмина для энергий космических лучей с больших расстояний (около 160 миллионов световых лет), которые возникают выше 10 20 эВ из-за взаимодействий с остаточными фотонами от Большого Взрыва происхождения Вселенной. В настоящее время обсерватория Пьера Оже проходит модернизацию, чтобы повысить ее точность и найти доказательства еще неподтвержденного происхождения самых энергичных космических лучей.
Высокоэнергетические гамма-лучи ( фотоны >50 МэВ) были наконец обнаружены в первичном космическом излучении в ходе эксперимента Массачусетского технологического института, проведенного на спутнике OSO-3 в 1967 г. [42] Компоненты галактического и внегалактического происхождения были отдельно идентифицированы по интенсивности значительно меньше 1% первичных заряженных частиц. С тех пор многочисленные спутниковые гамма-обсерватории нанесли на карту гамма-небо. Самым последним из них является обсерватория Ферми, которая подготовила карту, показывающую узкую полосу интенсивности гамма-излучения, испускаемую дискретными и диффузными источниками в нашей галактике, и многочисленные точечные внегалактические источники, распределенные по небесной сфере.
Ранние предположения об источниках космических лучей включали предложение 1934 года Бааде и Цвикки , предполагающее, что космические лучи происходят от сверхновых. [43] Предложение 1948 года Горация У. Бэбкока предполагало, что магнитные переменные звезды могут быть источником космических лучей. [44] Впоследствии Sekido et al. (1951) определили Крабовидную туманность как источник космических лучей. [45] С тех пор начали появляться самые разнообразные потенциальные источники космических лучей, включая сверхновые звезды , активные ядра галактик , квазары и гамма-всплески . [46]
Более поздние эксперименты помогли с большей уверенностью идентифицировать источники космических лучей. В 2009 году в статье, представленной на Международной конференции по космическим лучам учеными из обсерватории Пьера Оже в Аргентине, были показаны космические лучи сверхвысоких энергий, исходящие из места на небе, очень близкого к радиогалактике Центавр А , хотя авторы особо заявили, что потребуются дальнейшие исследования, чтобы подтвердить, что Центавр А является источником космических лучей. [47] Однако корреляции между частотами гамма-всплесков и космическими лучами обнаружено не было, поэтому авторы установили верхний предел на уровне 3,4 × 10–6 × эрг ·см– 2 .о потоке космических лучей с энергией 1 ГэВ – 1 ТэВ от гамма-всплесков. [48]
В 2009 году сообщалось, что сверхновые звезды были «определены» как источник космических лучей, открытие, сделанное группой, использующей данные Очень Большого Телескопа . [49] Этот анализ, однако, был оспорен в 2011 году данными PAMELA , которые показали, что «спектральные формы [ядер водорода и гелия] различны и не могут быть хорошо описаны одним степенным законом», предполагая более сложный процесс образование космических лучей. [50] Тем не менее, в феврале 2013 г. исследование, анализирующее данные с Ферми , показало, благодаря наблюдению 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. [5] [6]
Однако сверхновые испускают не все космические лучи, и доля космических лучей, которую они испускают, — это вопрос, на который невозможно ответить без более глубокого исследования. [51] Чтобы объяснить фактический процесс в сверхновых и активных ядрах галактик, который ускоряет оголенные атомы, физики используют ускорение ударного фронта в качестве аргумента правдоподобия (см. рисунок справа).
В 2017 году Коллаборация Пьера Оже опубликовала наблюдение слабой анизотропии в направлениях прихода космических лучей с самой высокой энергией. [52] Поскольку Галактический Центр находится в области дефицита, эту анизотропию можно интерпретировать как свидетельство внегалактического происхождения космических лучей при самых высоких энергиях. Это означает, что должна быть энергия перехода от галактических к внегалактическим источникам, и могут быть разные типы источников космических лучей, дающие вклад в разные диапазоны энергий.
Космические лучи можно разделить на два типа:
Однако термин «космические лучи» часто используется для обозначения только внесолнечного потока.
Космические лучи возникают как первичные космические лучи, которые изначально возникают в различных астрофизических процессах. Первичные космические лучи состоят в основном из протонов и альфа-частиц (99%), с небольшим количеством более тяжелых ядер (≈1%) и чрезвычайно незначительной долей позитронов и антипротонов. [10] Вторичные космические лучи, вызванные распадом первичных космических лучей при их 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 в основном исходят из-за пределов Солнечной системы, а иногда даже из Млечного Пути . При взаимодействии с атмосферой Земли они превращаются во вторичные частицы. Массовое отношение гелия к ядрам водорода, равное 28 %, аналогично массовому соотношению первобытных элементов этих элементов, равному 24 %. [53] Оставшаяся фракция состоит из других более тяжелых ядер, которые являются типичными конечными продуктами нуклеосинтеза, прежде всего лития , бериллия и бора . Эти ядра появляются в космических лучах в гораздо большем количестве (≈1%), чем в солнечной атмосфере, где их всего примерно в 10–11 раз больше, чем гелия.. 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 их относительно мало.
Эта разница в изобилии 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 космическими лучами . Расщепление отвечает также за содержание ионов скандия , титана , ванадия и марганца в космических лучах, образующихся при столкновениях ядер железа и никеля с межзвездным веществом . [54]
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.
Спутниковые эксперименты обнаружили доказательства существования позитронов и нескольких антипротонов в первичных космических лучах, что составляет менее 1% частиц в первичных космических лучах. Похоже, что они не являются продуктами большого количества антиматерии Большого взрыва или сложной антиматерией во Вселенной. Скорее, они, по-видимому, состоят только из этих двух элементарных частиц, новообразованных в энергетических процессах.
Предварительные результаты работающего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02 ) на борту Международной космической станции показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без какой-либо 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. [55] [56] Сообщалось о новом измерении доли позитронов до 500 ГэВ, показывающем, что доля позитронов достигает максимума примерно в 16% от общего числа электронно-позитронных событий при энергии около 275 ± 32 ГэВ .. При более высоких энергиях, вплоть до 500 ГэВ, отношение позитронов к электронам снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергию электронов, которая достигает максимума около 10 ГэВ. [57] Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с образованием позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи . [58]
Антипротоны космических лучей также имеют гораздо более высокую среднюю энергию, чем их аналоги из нормальной материи (протоны). Они достигают Земли с характерным максимумом энергии 2 ГэВ, что свидетельствует об их образовании в процессе, принципиально отличном от протонов космических лучей, которые в среднем имеют только одну шестую часть энергии. [59]
Нет никаких свидетельств наличия сложных атомных ядер антиматерии, таких как ядра антигелия (т. е. анти-альфа-частиц), в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02 , получивший обозначение AMS-01 , был доставлен в космос на борту космического корабля " Дискавери " на STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив антигелия вообще, AMS-01 установил верхний предел 1,1 × 10 - 6 для отношения потоков антигелия к потоку гелия . [60]
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 воздушного ливня , которое падает вниз, включая рентгеновские лучи , протоны, альфа-частицы, пионы, мюоны, электроны, нейтрино и нейтроны . [62] Все вторичные частицы, образовавшиеся в результате столкновения, продолжают движение по траекториям, находящимся примерно в пределах одного градуса от исходной траектории первичной частицы.
Типичными частицами, возникающими при таких столкновениях, являются нейтроны и заряженные мезоны , такие как положительные или отрицательные пионы и каоны . Некоторые из них впоследствии распадаются на мюоны и нейтрино, способные достичь поверхности Земли. Некоторые высокоэнергетические мюоны даже проникают на некоторое расстояние в неглубокие шахты, и большинство нейтрино пересекают Землю без дальнейшего взаимодействия. Другие распадаются на фотоны, впоследствии создавая электромагнитные каскады. Следовательно, в атмосферных ливнях наряду с фотонами обычно доминируют электроны и позитроны. Эти частицы, а также мюоны могут быть легко обнаружены многими типами детекторов частиц, такими как камеры Вильсона , пузырьковые камеры , водяные-черенковские или сцинтилляционные.детекторы. Наблюдение вторичного потока частиц в нескольких детекторах одновременно указывает на то, что все частицы произошли от этого события.
Космические лучи, воздействующие на другие планетарные тела в Солнечной системе, обнаруживаются косвенно путем наблюдения гамма -излучения высокой энергии с помощью гамма-телескопа. Они отличаются от процессов радиоактивного распада своими более высокими энергиями выше примерно 10 МэВ.
Поток входящих космических лучей в верхних слоях атмосферы зависит от солнечного ветра , магнитного поля Земли и энергии космических лучей. На расстоянии ≈94 а.е. от Солнца солнечный ветер претерпевает переход, называемый конечным скачком , от сверхзвуковой к дозвуковой скорости. Область между завершающей 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, поэтому было замечено, что поток космических лучей коррелирует с солнечной активностью.
Кроме того, магнитное поле Земли отклоняет космические лучи от ее поверхности, что приводит к наблюдению, что поток, по-видимому, зависит от широты , долготы и азимутального угла .
Совокупное воздействие всех упомянутых факторов способствует потоку космических лучей у поверхности Земли. Следующая таблица причастных частот достигает планеты [64] и выводится из низкоэнергетического излучения, достигающего земли. [65]
Энергия частиц ( 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 (раз в столетие) |
В прошлом считалось, что поток космических лучей остается довольно постоянным во времени. Однако недавние исследования показывают, что за последние сорок тысяч лет изменения потока космических лучей в масштабе полутора-двух тысячелетий. [66]
Величина энергии потока космических лучей в межзвездном пространстве очень сравнима с энергией других энергий дальнего космоса: плотность энергии космических лучей в среднем составляет 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 магнитного поля галактики (предполагается, что 3 мкГс), которая составляет ≈0,25 эВ/см 3 , или плотностью энергии космического микроволнового фонового (CMB) излучения при ≈0,25 эВ /см 3 . [67]
Существует два основных класса методов обнаружения. Во-первых, непосредственное обнаружение первичных космических лучей в космосе или на больших высотах аэростатными приборами. 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 аэростатов, в настоящее время действующие эксперименты по космическим лучам высоких энергий проводятся на земле. Как правило, прямое обнаружение более точно, чем косвенное обнаружение. Однако поток космических лучей уменьшается с ростом энергии, что затрудняет прямое обнаружение в диапазоне энергий выше 1 ПэВ. Как прямое, так и косвенное обнаружение реализуется несколькими методами.
Прямое обнаружение возможно с помощью всех видов детекторов частиц на МКС , на спутниках или высотных аэростатах. Однако существуют ограничения по весу и размеру, ограничивающие выбор детекторов.
Примером метода прямого обнаружения является метод, основанный на ядерных следах , разработанный Робертом Флейшером, П. Буфордом Прайсом и Робертом М. Уокером для использования в высотных аэростатах. [68] В этом методе листы прозрачного пластика, такого как поликарбонат Lexan толщиной 0,25 мм , складываются вместе и подвергаются прямому воздействию космических лучей в космосе или на большой высоте. Заряд ядра вызывает разрыв химической связи или ионизациюв пластике. В верхней части пластиковой стопки ионизация меньше из-за высокой скорости космических лучей. По мере уменьшения скорости космических лучей из-за торможения в стеке ионизация увеличивается по пути. Полученные пластиковые листы «протравливают» или медленно растворяют в теплом едком растворе гидроксида натрия, который удаляет поверхностный материал с известной скоростью. Едкий гидроксид натрия быстрее растворяет пластик на пути ионизированного пластика. Конечным результатом является коническая ямка травления в пластике. Ямки травления измеряются под мощным микроскопом (обычно масляная иммерсия с увеличением 1600), а скорость травления строится как функция глубины в уложенном друг на друга пластике.
Этот метод дает уникальную кривую для каждого атомного ядра от 1 до 92, что позволяет идентифицировать как заряд, так и энергию космического луча, пересекающего пластиковый пакет. Чем обширнее ионизация на пути, тем выше заряд. Помимо использования для обнаружения космических лучей, этот метод также используется для обнаружения ядер, образующихся в результате ядерного деления .
В настоящее время используется 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, проходящие через них. Массивы EAS могут наблюдать за широким участком неба и могут быть активны более 90% времени. Однако они менее способны отделить фоновые эффекты от космических лучей, чем эфирные черенковские телескопы . В большинстве современных массивов ШАЛ используются пластиковые сцинтилляторы . Также вода (жидкая или замороженная) используется в качестве среды обнаружения, через которую проходят частицы и производят черенковское излучение , чтобы сделать их обнаруживаемыми. [69]Поэтому в некоторых установках в качестве альтернативы сцинтилляторам или в дополнение к ним используются черенковские детекторы вода/лед. За счет комбинации нескольких детекторов некоторые массивы ШАЛ способны отличать мюоны от более легких вторичных частиц (фотонов, электронов, позитронов). Доля мюонов среди вторичных частиц является одним 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 [70] для обнаружения вторичных мюонов, образующихся при распаде пиона. В частности, камеры Вильсона 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. [71]
Совсем недавно устройства CMOS в широко распространенных камерах смартфонов были предложены в качестве практической распределенной сети для обнаружения воздушных ливней от космических лучей сверхвысокой энергии. [72] Первым приложением , использующим это предположение, был эксперимент CRAYFIS (Космические лучи, обнаруженные в смартфонах). [73] [74] В 2017 году CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory) Collaboration [75] 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. [76]Будущие исследования должны показать, в каких аспектах эта новая техника может конкурировать со специализированными массивами EAS.
Первый метод обнаружения во второй категории называется воздушным черенковским телескопом , предназначенным для обнаружения низкоэнергетических (<200 ГэВ) космических лучей посредством анализа их черенковского излучения , которое для космических лучей представляет собой гамма-лучи, испускаемые при их движении быстрее, чем скорость света в их среде, атмосфере. [77] Хотя эти телескопы очень хорошо различают фоновое излучение и излучение космических лучей, они могут хорошо работать только в ясные ночи без сияния Луны, 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 частицами, движущимися через атмосферу. Этот метод является наиболее точным для космических лучей самых высоких энергий, особенно в сочетании с массивами детекторов частиц ШАЛ. [78] Подобно обнаружению черенковского света, этот метод ограничен ясными ночами.
Другой метод обнаруживает радиоволны, излучаемые воздушными ливнями. Этот метод имеет высокий рабочий цикл, аналогичный рабочему циклу детекторов частиц. Точность этого метода была улучшена в последние годы, как показали различные экспериментальные эксперименты, и может стать альтернативой обнаружению атмосферного черенковского света и флуоресцентного света, по крайней мере, при высоких энергиях.
Космические лучи ионизируют молекулы азота и кислорода в атмосфере, что приводит к ряду химических реакций. Космические лучи также несут ответственность за непрерывное производство ряда нестабильных изотопов , таких как углерод-14 , в атмосфере Земли в результате реакции:
Космические лучи поддерживали уровень углерода-14 [79] в атмосфере примерно постоянным (70 тонн) в течение, по крайней мере, последних 100 000 лет [ нужна ссылка ] до начала наземных испытаний ядерного оружия в начале 1950-х годов. Этот факт используется в радиоуглеродном датировании . [ нужна ссылка ]
Космические лучи составляют часть годового облучения людей на Земле, в среднем 0,39 мЗв из общего количества 3 мЗв в год (13% от общего фона) для населения Земли. Однако фоновое излучение от космических лучей увеличивается с высотой от 0,3 мЗв в год для районов на уровне моря до 1,0 мЗв в год для высокогорных городов, что увеличивает воздействие космического излучения до четверти общего фонового излучения для населения указанных городов. . Экипажи авиакомпаний, летающих на дальние высотные маршруты, могут ежегодно подвергаться дополнительному облучению космическими лучами на 2,2 мЗв, что почти вдвое увеличивает их общее воздействие ионизирующего излучения.
Радиация | НКДН ООН [81] [82] | Принстон [83] | Государство Ва [84] | МЕКСТ [85] | Примечание | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Тип | Источник | В среднем по миру | Типовой диапазон | США | США | - | Естественный | Воздуха | 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 др.) (б) зависит от диеты. | ||||||||
Наземный | 0,48 | 0,3–1,0 с | 0,19 | 0,29 | 0,40 | (c) Зависит от состава грунта и строительного материала конструкций. | ||||||||
космический | 0,39 | 0,3–1,0 дня | 0,31 | 0,26 | 0,30 | г) Обычно увеличивается с высотой. | ||||||||
Промежуточный итог | 2,40 | 1,0–13,0 | 2,95 | 2,95 | 1,50 | |||||||||
Искусственный | Медицинский | 0,60 | 0,03–2,0 | 3.00 | 0,53 | 2.30 | ||||||||
Выпадать | 0,007 | 0–1+ | – | – | 0,01 | Пик пришелся на 1963 год (до Договора о частичном запрещении ядерных испытаний ) с пиком в 1986 году ; по-прежнему высок вблизи ядерных испытаний и мест аварий. Для Соединенных Штатов радиоактивные осадки включены в другие категории. | ||||||||
Другие | 0,0052 | 0–20 | 0,25 | 0,13 | 0,001 | Среднегодовое профессиональное облучение составляет 0,7 мЗв; работники горнодобывающей промышленности подвергаются 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 | |||||||||
Всего | 3.00 | от 0 до десятков | 6.20 | 3,61 | 3,81 |
Космические лучи имеют достаточную энергию, чтобы изменить состояние компонентов схемы в электронных интегральных схемах , вызывая переходные ошибки (например, искаженные данные в электронных запоминающих устройствах или неправильную работу ЦП ), 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. [86] Исследования IBMв 1990-х годах предполагают, что компьютеры обычно испытывают примерно одну ошибку, вызванную космическими лучами, на 256 мегабайт ОЗУ в месяц. [87] Чтобы решить эту проблему, корпорация Intel предложила детектор космических лучей, который можно было бы интегрировать в будущие микропроцессоры высокой плотности , позволяя процессору повторять последнюю команду после события космических лучей. [88] Память ECC используется для защиты данных от повреждения данных, вызванного космическими лучами.
В 2008 году из-за повреждения данных в системе управления полетом авиалайнер Airbus A330 дважды падал 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 маловероятные. [89]
В августе 2020 года ученые сообщили, что ионизирующее излучение радиоактивных материалов окружающей среды и космические лучи могут существенно ограничить время когерентности кубитов , если они не защищены должным образом, что может иметь решающее значение для реализации отказоустойчивых сверхпроводящих квантовых компьютеров в будущем. [90] [91] [92]
Галактические космические лучи являются одним из наиболее важных препятствий, стоящих на пути межпланетных путешествий пилотируемых космических кораблей. Космические лучи также представляют угрозу для электроники, размещенной на борту уходящих зондов. В 2010 году неисправность на борту космического зонда « Вояджер-2 » была приписана одному перевернутому биту, вероятно, вызванному космическим лучом. Были рассмотрены такие стратегии, как физическое или магнитное экранирование космических кораблей, чтобы свести к минимуму ущерб, причиняемый электронике и людям космическими лучами. [93] [94]
31 мая 2013 года ученые НАСА сообщили, что возможная пилотируемая миссия на Марс может быть сопряжена 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 . 2011–2012 гг. [95] [96] [97]
Летая на высоте 12 километров (39 000 футов), пассажиры и экипажи реактивных авиалайнеров получают как минимум в 10 раз большую дозу космических лучей, чем люди на уровне моря . Особому риску подвергаются самолеты, летающие полярными маршрутами вблизи геомагнитных полюсов . [98] [99] [100]
Космические лучи причастны к возникновению электрического пробоя в молнии . Было высказано предположение, что по существу все молнии запускаются в результате релятивистского процесса или « неконтролируемого пробоя », вызванного вторичными космическими лучами. Затем последующее развитие грозового разряда происходит посредством «обычных» механизмов пробоя. [101]
Роль космических лучей в климате была предложена Эдвардом П. Неем в 1959 г. [102] и Робертом Э. Дикинсоном в 1975 г. [103] . Было высказано предположение, что космические лучи могли быть ответственны за серьезные климатические изменения и прошлое. Согласно Адриану Меллотту и Михаилу Медведеву, 62-миллионные циклы в биологических морских популяциях коррелируют с движением Земли относительно галактической плоскости и увеличением воздействия космических лучей. [104] Исследователи предполагают, что это и бомбардировки гамма-лучами , происходящие от местных сверхновых , могли повлиять на рак и уровень мутаций ., и может быть связано с решающими изменениями климата Земли и с массовыми вымираниями ордовика . [105] [106]
Датский физик Хенрик Свенсмарк спорно утверждал, что, поскольку солнечные вариации модулируют поток космических лучей на Земле, это, следовательно, влияет на скорость образования облаков и, следовательно, является косвенной причиной глобального потепления . [107] [108] Свенсмарк является одним из нескольких ученых, открыто выступающих против общепринятой научной оценки глобального потепления, что приводит к опасениям, что предположение о том, что космические лучи связаны с глобальным потеплением, может быть идеологически предвзятым, а не научно обоснованным. [109]Другие ученые резко критикуют Svensmark за небрежную и непоследовательную работу: одним из примеров является корректировка облачных данных, которая занижает ошибку в данных с более низким уровнем облачности, но не в данных с высоким уровнем облачности; [110] Другим примером является «неправильное обращение с физическими данными», что приводит к тому, что графики не показывают корреляции, которые, как они утверждают, показывают. [111] Несмотря на утверждения Свенсмарка, галактические космические лучи не показали статистически значимого влияния на изменения облачного покрова, [112] и, как было показано в исследованиях, не имеют причинно-следственной связи с изменениями глобальной температуры. [113]
Несколько исследований пришли к выводу, что близлежащая сверхновая или серия сверхновых вызвали вымирание морской мегафауны в плиоцене , существенно повысив уровни радиации до опасных величин для крупных морских животных. [114] [115] [116]
Существует ряд инициатив по исследованию космических лучей, перечисленных ниже.
{{cite journal}}
: |author1=
имеет общее имя ( помощь ){{cite journal}}
: |author1=
имеет общее имя ( помощь )Использование внешних ссылок в этой статье может не соответствовать политике или рекомендациям Википедии . ( август 2020 г. ) |
Викискладе есть медиафайлы, связанные с космическими лучами . |
В Wikiquote есть цитаты, связанные с: космическими лучами . |