Физическая природа космических частиц и методы их исследования

Эксперименты продолжались много лет. Более 10 лет работала высокогорная станция АН СССР на Памире в долине реки Акбайтал (урочище Чечекты) на высоте 3860 м над уровнем моря. Еще одна широко известная станция расположена в Армении на горе Арагац на высоте около 3200 м. Почти на такой же высоте работала станция в Заилийском Алатау в 50 км южнее Алма-Аты. Другие советские станции действовали в Армении в НорАмберде, в Грузии под Бакуриани. На этих станциях были получены многие важные сведения о взаимодействиях адронов высокой энергии и их свойствах. Известны станции в Альпах, например на горе Юнгфрау, в Андах в Боливии, в Японии на горе Норикура и др. Многие хорошо известные сейчас свойства сильных взаимодействий, такие, как слабая зависимость сечения взаимодействия от энергии, слабый рост поперечного импульса с энергией (поперечный импульс изменяется от 0,3 до 0,5 Гэв/с при изменении энергии первичных частиц на много порядков) и его ограниченность, асимметрия угловых распределений пионнуклонных столкновений, как следствие кварковой структуры адронов), форма энергетической зависимости средней множественности и многие другие, были открыты в экспериментах на горах. Можно смело утверждать, что современная физика элементарных частиц и высоких энергий возникла в результате удивительных открытий, сделанных в космических лучах. Эти открытия требовали необычайней изобретательности [1].Физики втаскивали тяжелую аппаратуру высоко в горы, поднимали на воздушных шарах и опускали в шахты, сутками, а иногда и годами ждали появления уникальных событий. Непонятные картины будоражили воображение. Стремление наблюдать космические чудеса в спокойных лабораторных условиях стимулировало строительство крупных ускорите лей частиц.Недаром один из первых ускорителей на энергию выше 1 ГэВ был назван космотроном. В первые же годы возникла определенная научная конкуренция между физиками, работавшими в космических лучах и на ускорителях. Несколько пренебрежительное отношение к результатам физики космических лучей со стороны ускорительщиков, затормозило развитие физики высоких энергий, но в то же время стимулировало работы в космических лучах.В частности, проявлением такой конкуренции явилось создание калориметра, которым сейчас пользуются на всех ускорителях, часто не вспоминая, откуда он родом. В настоящее время в результате развития ускорительной техники изучение взаимодействий на горах постепенно утрачивает свое значение и отходит на второй план. Все больше внимания уделяется свойствам самого космического излучения, несущего информацию о процессах, происходящих в самых далеких областях вселенной или происходивших в далеком прошлом.Однако и теперь продолжаются эксперименты с ядерными эмульсиями (эмульсионные и рентгеноэмульсионные камеры). Обладая исключительным пространственным разрешением, эта методика позволяет исследовать ряд явлений сверхвысокой энергии все еще недоступных ускорительной методике. В частности, на ускорителях трудно изучать частицы, вылетающие под предельно малыми углами на коллайдерах из-за огромного фона, создаваемого пучком ускоренных частиц.Кроме того, не следует думать, что изучение взаимодействий частиц высокой энергии в космических лучах не имеет самостоятельного значения. Эксперименты на ускорителях более пригодны для проверки теорий, когда известно, что и при каких условиях следует искать. В потоке космического излучения существует все, что есть в природе, хотя наблюдаемые явления иногда трудно интерпретировать. Поиск таких новых неожиданных явлений с помощью установок типа «Памир» или еще более сложных калориметрических установок в области сверхускорительных энергий останется актуальным и в начале XXI в.В 1980х годах возникло целое новое направление исследований проникающего космического излучения с помощью глубоководных установок. До глубин в несколько километров опускались установки для измерения потоков мюонов. В таких экспериментах удалось измерить потоки мюонов с энергией в тысячи ГэВ.Свою роль сыграл проект ДЮМАНТ для изучения нейтрино высокой энергии. В первом предложении предполагалось опустить детекторы мюонов на глубину до 4 км у берегов Гавайских островов. Этот эксперимент привлек широкое внимание, но окончился полным провалом по техническим при чинам. Подводные течения разрушили установку. Проект, аналогичный ДЮМАНТу, начал реализовываться на озере Байкал. Со льда озера в районе Листвянки опускались под во дудо глубины около километра «стринги» – гирлянды фото умножителей. Работа продолжается много лет, но реальных физических результатов пока не получено (если не считать весьма грубого ограничения на поток реликтовых «монополей» и обнаружения свечения воды вблизи дна озера). Сейчас ведутся в основном методические работы.Создание в Советском Союзе первых спутников открыло новую эру в космических исследованиях. В настоящее время огромное количество космических аппаратов со специальной аппаратурой на борту изучают космическое излучение. В Советском Союзе были осуществлены многочисленные полеты специальных станций. В первую очередь к ним можно отнести серию спутников «Протон» (1960-е гг.). С помощью этих спутников, на которых были установлены первые тяжелые калориметры, был исследован энергетический спектр первичных частиц в области энергий до 105 ГэВ. Общая структура прибора включала детектор энергии и определитель заряда первичных частиц. Изучение ядерного состава Галактического космического излучения в области энергий выше 1 ТэВ осуществлено с помощью калориметрического прибора СОКОЛ (аббревиатура слов СОставКОсмических Лучей)Рисунок Спутник СОКОЛ Общая структура прибора включала детектор энергии, ионизационный калориметр и детектор заряда первичных 129 космических частиц. Толщина поглотителя в калориметре составляла 5,5 пробегов ядерного взаимодействия протонов (энерговыделение до 80%). В качестве детектора заряда были применены черенковские счетчики. Эти примеры показывают, что спутники широко применяются для исследования космических лучей. В последующие годы, как вСоветском Союзе, так и в США, а также в международных сотрудничествах совершались полеты множества спутников и космических станций. Они будут упомянуты по ходу обсуждения физических результатов. Значительная часть полетов выполнена для изучения свойств межпланетного пространства. В настоящее время одна из американских межпланетных станций покинула пределы Солнечной системы и впервые в истории вышла в межзвездное пространство.ЗаключениеВ работе проведено теоретическое изучение космических частиц. Для достижения цели были решены следующие задачи:Приведена классификация космических частицОписана их природа и происхождениеПриведены методы регистрации космических частиц.Увлечение фундаментальными исследованиями и действительно грандиозными открытиями, сделанными в области космической физики, отодвинуло на задний план вопросы практического применения этих знаний. Тем не менее, уже давно существовали попытки использовать космические лучи для хозяйственных целей, в том числе для измерения температурного профиля атмосферы с помощью мюонов, определения вертикали в шахтах, поиска и «оконтуривания» рудных тел и даже для определения вертикали на виражах в скоростных истребителях. В дальнейшембудет происходить развитие прикладных направлений в физике космических лучей.Список литературыМурзин B.C. Астрофизика космических лучей /Учебное пособие для вузов. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 488 сФилоненко А. Д. Радиоастрономический метод измерения потоков космических частиц сверхвысокой энергии (рус.) // УФН. — 2012. — Т. 182. — С. 793—827.Космические лучи [Электронный ресурс]/ URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/elp/elp09.htm (Дата обращения 13.04.2019)Все о космосе [Электронный ресурс]/ URL: https://aboutspacejornal.net/ (Дата обращения 13.04.2019)Космические лучи — физика и их состав[Электронный ресурс]/URL: https://science-pop.ru/578 (Дата обращения 13.04.2019)