10.2. РАЗВИТИЕ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ

Из того факта, что у поверхности Земли наблюдается 106 релятивистских частиц, следует, что первичная частица должна обладать очень высокой энергией. Хорошее представление о полной картине развития ливня дает совместный американо-японский эксперимент [1], проведенный в Боливии на горе Чакалтая на высоте соответствующей половине пути частицы в атмосфере На большой площади были расположены детекторы для всех сортов частиц и затем анализировалась зависимость числа частиц в ливне от зенитного угла в (рис. 10.2). Длина пути частиц ливня в атмосфере изменяется как Угол в вычисляется по времени задержки между срабатыванием детекторов в различных точках установки. Этот метод оказался эффективным, так как исследования показали, что толщина ливня (по высоте) не более нескольких метров (рис. 10.2). Толщина слоя электронного компонента меньше мюонного а наиболее массивные адроны приходят последними на расстоянии порядка нескольких метров. Таким образом, частицы приходят слоями и ливень подобен многослойному торту.

Чтобы получить картину развития ливня, предположим, что все ливни, порожденные частицами с одинаковой энергией, развиваются совершенно одинаково. Далее, положим, что темп прибытия космических лучей различных энергий не меняется со временем.

Если построить зависимость интенсивности ливня от длины пути в атмосфере т.е. от зенитного угла в, то получится распределение, показанное на рис. 10.3.

Рис. 10.2. Диаграмма, поясняющая приход широкого атмосферного ливня при зенитном угле в.

Рис. 10.3. Исследование развития широких атмосферных ливней разных интенсивностей, проходящих через атмосферу под различными зенитными углами частота появления ливней, содержащих частиц. Зенитный угол соответствует толщине атмосферы

Измерения в течение длительного времени позволяют получить усредненную картину развития ливня как функции длины пути в атмосфере, т.е. этот метод дает усредненную картину развития ливня для различных энергий. Рис. 10.4 показывает результаты этого анализа. На графике изображены две серии точек для двух частиц с различной энергией (масштабы по оси ординат разные). Показана также интенсивность ливней на уровне моря. Ливни, по-видимому, достигают максимума на глубине атмосферы Экстраполяция на меньшие глубины сделана с помощью теоретических моделей этого процесса. Однако развитие ливня не может сильно зависеть от событий выше потому что есть уверенность в том, что к нам действительно приходит не меньше 106 быстрых частиц. Это подтверждает теоретические предположения о развитии ливней. Поскольку в большинстве случаев ядерные взаимодействия завершаются электромагнитным каскадом, большая часть энергии выделяется в виде релятивистских электронов. На рис. 10.4 показано число электронов, каждый из которых теряет (средние потери энергии для электронов в релятивистской области). Поэтому можно вычислить полные энергетические потери электронов, измерив полную площадь под кривой, так как в ней учтена вся энергия релятивистских электронов, родившихся в ливне (рис. 10.5). Поскольку большая часть энергии электронов приходится на релятивистскую область, хорошую оценку энергии дает интеграл

Рис. 10.4. Число частиц в ливнях, которые детектируются с постоянной скоростью или В, как функция толщины атмосферы. Данные получены от наклонных ливней на горе Чакалтая и в лабораториях, расположенных на уровне моря. Зависимость показывает приблизительно рост и спад ливня определенной энергии. Экстраполяция кривых в область длин пробега меньше основана на теории [4].

Рассмотрим два ливня, для которых есть более или менее полные данные (таб. 10.1). Отметим следующие моменты:

1. Большая часть достигает земли в виде мюонов, хотя в максимуме развития ливня она в основном приходится именно на электроны.

2. Энергия ливня пропорциональна числу частиц в максимуме его развития. Можно использовать очень полезное правило (верное с точностью до в максимуме ливня на одну частицу приходится

3. Чем больше энергия частицы, тем ниже в атмосфере расположен максимум ливня.

Рис. 10.5. Диаграмма, показывающая, как по измерениям концентрации электронов как функции глубины атмосферы можно найти полные ионизационные потери этих частиц.

(см. скан)

Эти ливни очень детально моделируются путем расчета всевозможных взаимодействий и интегрирования по всем возможным распределениям вероятности. Таким путем получают все параметры ливня: интенсивность, поперечную протяженность, химический состав как функцию поперечной протяженности и т.д.

Чтобы зарегистрировать наиболее энергичные частицы, требуются очень большие установки. Такая частица порождает наиболее мощные ливни, к тому же они очень редки. Поэтому детектор большой площади повышает вероятность их обнаружения. Некоторые из самых больших установок показаны на рис. 10.6.