Космические лучи

Итак, пока в нашем с вами атомном мире живут лишь электроны, протоны и нейтроны, однако даже с помощью лишь этих частиц мне удалось многое вам объяснить. В начале 1930-х годов эти частицы были единственными известными субатомными частицами. С помощью электронов, протонов и нейтронов очень легко было объяснить устройство Вселенной в целом, и ученые надеялись, что больше никаких субатомных частиц не существует. Однако некоторые теоретики предположили существование и других типов частиц, которые и были обнаружены в бомбардирующем Землю излучении из космоса. Об этих излучениях мы сейчас и поговорим.

В начале XX века физики занимались поисками новых видов излучений. Открытие радиоволн, рентгеновских лучей и разнообразных радиоактивных излучений заставило ученых, так сказать» повысить чувствительность к этому феномену[141].

Тем не менее самое знаменательное открытие в данной области было сделано при попытке исключить излучение, а не обнаружить его. Использующийся для обнаружения проникающего излучения электроскоп с золотыми листками (см. гл. 7) работал слишком уж хорошо. В 1900 году несколько ученых, среди которых стоит отметить Вильсона (изобретателя камеры Вильсона), обнаружили, что электроскоп медленно терял свой заряд, даже когда поблизости не было радиоактивных веществ. Наиболее вероятным объяснением этого явления казалось то, что в почве повсеместно присутствуют небольшие количества радиоактивных веществ, порождающие паразитные излучения.

Однако было обнаружено, что, даже если вывезти, электроскоп далеко в море или, еще лучше, закрыть экраном из металла, непроницаемого для известных излучений и не испускающего проникающих излучений, потеря заряда электроскопом хотя и замедлялась, но не останавливалась.

В конце концов в 1911 году австрийский физик Виктор Гесс (1883–1964) сделал решающий шаг: он поднял электроскоп на несколько километров вверх на воздушном шаре. Воздушная прослойка послужила экраном от слабых излучений земной поверхности. К его удивлению, скорость разряда электроскопа не только не понизилась, но и, наоборот, резко возросла. Последующие запуски шаров с электроскопами на борту подтвердили это, и Гесс заявил, что, какова бы ни была природа нового излучения, оно исходило из космоса, а вовсе не с Земли.

Роберт Милликен (измеривший заряд электрона) сыграл ведущую роль во время самых первых исследований этого нового излучения и в 1925 году предложил назвать их космическими лучами, так как они исходили из космоса.

Проникающая способность космических лучей выше, чем рентгеновских, и Милликен выяснил, что они являются формой электромагнитного излучения, длина волны которого короче, а частота — выше, чем даже у гамма-лучей. Физики предположили, что это излучение является потоком частиц. Так как излучение исходило из космоса, появлялся способ выяснить, является ли оно потоком частиц или же электромагнитным излучением. Если космические лучи являются электромагнитным излучением, то они будут падать равномерно на всю поверхность Земли (в том случае, если они приходят со всех сторон) и электромагнитное поле Земли не окажет на них никакого влияния.

Если же космические лучи являются потоком заряженных частиц, они будут отклоняться магнитными линиями Земли, причем частицы, энергия которых меньше, будут отклоняться сильнее. В этом случае ближе к магнитным полюсам концентрация космических лучей будет усиливаться, а на магнитной экватор они падать практически не будут.

В 1920-х годах американский физик Артур Комптон (1892–1962) занимался изучением этого широтного эффекта. В начале 1930-х годов ему удалось доказать, что широтный эффект действительно существует, а космические лучи являются потоком частиц, а не электромагнитным излучением. Поэтому можно смело говорить о космических частицах.

В 1930 году итальянский физик Бруно Росси высказал предположение, что раз космические лучи являются метельчатыми по своей природе, то магнитное поле должно отклонять их на восток, если космические частицы обладают положительным зарядом, то есть больше космических лучей будет падать с западной стороны, и наоборот, если космические частицы заряжены отрицательно.

Для подтверждения существования этого эффекта недостаточно просто обнаружить появление космической частицы, нужно определить направление, откуда она появилась. Для этого был использован разработанный немецким физиком Вальтером Боте (1891–1957) счетчик совпадений. Такой счетчик состоит из двух и более счетчиков Гейгера, установленных на одной оси. Когда вдоль этой оси движется космическая частица, она проходит сквозь все счетчики. Электрическая цепь построена таким образом, что частица будет зафиксирована и посчитана только тогда, когда она пройдет сквозь все счетчики (прочем скорость быстрой частицы настолько высока, что для прохождения сквозь все счетчики ей требуется одно мгновение). Направляя ось счетчиков в разные стороны, получим «телескоп для космических лучей».

На оси счетчиков также можно поместить камеру Вильсона и настроить электрическую цепь так, чтобы при обнулении счетчиков камера расширялась. Капли расширяющейся камеры Вильсона «поймают» недолго существующие нейтроны. А если к цепи подключить еще и фотокамеру и настроить ее так, чтобы при каждом расширении она автоматически делала снимок, то космическая частица сама себя сфотографирует.

В 1935 году американский физик Томас Джонсон с помощью счетчика совпадений доказал, что с запада приходит больше космических лучей, чем с востока. Ученые решили, что космические частицы обладают положительным зарядом.

Пониманию подлинной природы космических частиц мешал тот факт, что многие из них не долетали до поверхности земли, ударяясь о то или иное атомное ядро в атмосфере, в результате чего происходили ядерные реакции и появлялось вторичное излучение очень высокой энергии. Часть этого излучения состоит из нейтронов, которые могут в результате (n, p)-реакции с азотом–14 образовывать углерод–14 или же, выбивая из азота–14 ядра трития (Н³), образовывать углерод–12 в результате (n, t)-реакции. Эти ядра трития и являются источником небольшого количества существующего на Земле H³.

Космические лучи вызывают и другие явления, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, так как человечество пока еще не научилось ускорять частицы до скоростей космических частиц с наиболее высокой проникающей способностью. Современные ускорители способны разгонять частицы более чем до 30 млрд. электрон вольт, в то время как космические частицы обладают энергиями в миллиарды миллиардов электронвольт.

Столь высокая энергия сверхбыстрых частиц вызвана, с одной стороны, их большой массой, а с другой — высокой скоростью, которая приближается к предельной скорости, то есть скорости света в вакууме. Когда такие быстрые частицы проходят сквозь прозрачные вещества (воду, слюду, стекло), их движение практически не замедляется. Сам же свет, наоборот, тормозится этими веществами очень сильно — обратно пропорционально коэффициенту преломления (см. ч. II). Таким образом, в некоторых веществах заряженная частица перемещается быстрее, чем свет, но ее скорость никогда не превышает скорость света в вакууме.

Такая «сверхсветовая» частица отбрасывает контровое излучение, аналогично тому, как сверхзвуковая пуля отбрасывает назад конус звуковых волн. Это явление было обнаружено в 1934 году советским ученым Павлом Алексеевичем Черенковым (1904–1990) и получило название черепковское излучение.

По длине волны черенковского излучения, его яркости и направлению можно определить массу, заряд и скорость движущейся частицы. В конце 1940-х годов американский физик Иван Геттинг предложил схему черенковского счетчика, позволяющего по излучению выделять частицы высокой энергии из потока обычных частиц. Черенковские счетчики дали ученым массу сведений о быстрых частицах.

В 1940-х годах началось исследование космического излучения с помощью высотных шаров и ракет. На больших высотах удалось зафиксировать первичное излучение, то есть сами космические частицы, а не излучения, появляющиеся в результате столкновения космических частиц и атомных ядер. Оказалось, что большая часть (около 80%) космических лучей являются частицами очень высокой энергии, а большая часть остальных — альфа-частицами. Около 2,5% составляют ядра более тяжелых элементов, вплоть до железа.

Все это указывало на то, что космические частицы являются голыми ядрами основного вещества, из которого состоит все во Вселенной. Элементы космических лучей содержатся в пропорции, схожей с пропорцией элементов внутри большинства звезд, например Солнца.

В действительности Солнце является одним из источников космических частиц. Мощные солнечные вспышки приводят к образованию космических лучей, падающих на Землю. Однако Солнце — не единственный и далеко не самый мощный источник космических лучей, так как иначе они падали бы на Землю исключительно со стороны Солнца, а этого не происходит. Более того, энергия испускаемых Солнцем космических частиц сравнительно невысока.

Встает вопрос: каким образом космические частицы получают свою огромную энергию? В результате ядерных реакций не выделяется такого количества энергии. Даже при полном переходе массы в энергию энергия космических лучей все равно выше.

Предположим, что космические лучи являются протонами и ядрами других элементов пусть высокой, но не необыкновенно высокой энергии. Эти частицы разгоняются каким-либо естественным ускорителем «космического масштаба». Магнитные поля солнечных пятен могут разгонять частицы до средних скоростей. Звезды с более интенсивными магнитными полями или даже общее магнитное поле галактики способны ускорять частицы и до более высоких скоростей.

Галактику в этом отношении можно рассматривать как гигантский циклотрон, по которому вихрем проносятся протоны и атомные ядра, набирая энергию и двигаясь по расширяющейся спирали. Если они не сталкиваются с каким-либо материальным объектом, то через некоторое время уровень их энергии возрастает настолько, что они покидают галактику.

Земля прерывает разгон этих частиц. Самыми быстрыми частицами, скорее всего, являются частицы, прилетевшие к нам из других галактик. Возможно,, что некоторые галактики с необыкновенно интенсивными магнитными полями могут ускорять космические частицы до больших скоростей, чем наши, и могут являться важными источниками самых быстрых частиц. Однако обнаружить такие галактики пока не удалось.