10.3. НАБЛЮДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ

На рис. 10.7 представлены многие последние результаты [4]. На графике показана частота ливней различной интенсивности на различной глубине атмосферы. Результаты представлены в виде интегрального распределения причем величины умножены на число частиц в степени 1,5 т.е.

где число ливней, содержащих и более частиц. Такая форма распределения использована потому, что спектр космических лучей в области низких энергий хорошо аппроксимируется законом поэтому, если высокоэнергичные частицы подчиняются этому же закону, то функция не будет зависеть от интенсивности ливней, так как пропорционально Этот метод перенормировки распределений, позволяющий охватить большой диапазон (несколько порядков) какой-либо величины, очень распространен в астрофизике, где многие параметры изменяются в очень широких пределах. Это очень удобный способ обнаружить отклонения от ожидаемых результатов, а также разместить всю полученную информацию на одном листе миллиметровки.

Рассмотрим этот график более подробно.

Космические лучи сверхвысоких энергий. Некоторые частицы космических лучей имеют колоссальную энергию. На самых крупных установках были зарегистрированы ливни, содержащие до 1011 частиц. Исходя из нашего правила, что на одну частицу в максимуме ливня приходится (для таких энергичных частиц это правило применимо на уровне моря), видим, что первичная частица должна иметь энергию т.е. на одну частицу приходится

Спектр. В представленных на рис. 10.7 данных не учтен тот факт, что над установками находится разный слой атмосферы. Легко понять, что поток на уровне моря должен быть значительно меньше, чем высоко в горах. Результаты со станции на горе Чакалтая соответствуют глубине максимального развития вертикальных ливней в диапазоне Поэтому данные, обозначенные белыми квадратиками, не нуждаются дальнейших поправках.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 10.8. (см. скан) а — схематическое изображение излома спектра первичных космических лучей при энергии около , б - спектр частиц сверхвысоких энергий по недавним наблюдениям. По оси ординат отложено Ошибки (поперечные черточки) и заштрихованная область указывают на неопределенность в этих частях спектра [4].

Значения на уровне моря ниже данных, полученных на горных станциях, вплоть до энергии когда максимум ливня приблизится к уровню моря. Поэтому можно надеяться, что верхняя огибающая этих кривых Даст истинное распределение для высокоэнергичных частиц.

Спектр отклоняется от закона выше В области спектр ближе к поэтому общий спектр будет иметь вид, показанный на рис. 10.8. Было очень много споров по поводу

формы спектра при очень высоких энергиях. Первоначально полагали, что спектр уплощается выше И действительно, в этой области есть некоторые признаки уплощения, но статистика здесь очень плохая, и повторный анализ, выполненный некоторыми авторами, показал, что нет достаточно веских аргументов, указывающих на то, что наклон восстановится. Однако все согласны с тем, что в этой области спектра, несомненно, есть частицы, бросающие вызов специалистам по астрофизике высоких энергий, которые должны найти объяснение этого спектра. Такие высокоэнергичные космические лучи редки. Частота ливней, содержащих частиц, падающих на площадь 34 км2 (размер гигантской Сиднейской установки), составляет всего лишь

Химический состав. Как отмечалось выше, не существует прямого метода определения химического состава космических лучей с из данных по атмосферным ливням. Наблюдения многостержневых ливней наводят на мысль, что их создают ядра. Была проделана большая работа по моделированию распределений мюонов, пионов и других частиц для ливней, создаваемых ядрами, но полного согласия между предсказываемым выходом и распределениями по атомным номерам, которые дают многостержневые ливни, получено не было.

Изотропия. В этих экспериментах изучалось, изотропны ли космические лучи или концентрируются, к примеру, в плоскости Галактики. Хиллас [4] получил следующие данные путем подгонки синусоидальных волн к распределению событий по небу, т.е. методом фурье-анализа или спектрального анализа. Верхние пределы представляют собой амплитуды наибольших допустимых волн.

Очевидно, что распределение по направлениям прихода очень изотропно вплоть до сверхвысоких энергий. Эти данные существенно ограничивают модели объема, в пределах которого находятся космические лучи. Мы остановимся на этом ниже а сейчас приведем всего лишь один простой пример проблемы, которая ждет своего решения. Одна, из интерпретаций излома спектра при предполагает утечку космических лучей из Галактики. В этом случае можно ожидать анизотропии космических лучей выше этой энергии, однако прямых свидетельств этого нет.