Современное состояние исследований - NUCLEON
Главное меню:
- Главная
- Наука
- Эксперимент НУКЛОН
- Текущее состояние
- Коллаборация
- Образование
- Публикации
- Медиа
Наука
Современное состояние исследований
Под галактическими космическими лучами (ГКЛ) обычно понимаются потоки ультрарелятивистских заряженных частиц, заполняющие межзвездное пространство. Космические лучи представлены адронной и лептонной компонентами. Адронная (иначе - ядерная) компонента ГКЛ состоит из ядер химических элементов начиная с протонов (ядра водорода) до ядер, значительно более тяжелых, чем ядро железа и из антипротонов (более тяжелые антиядра пока не обнаружены). Лептонная компонента состоит из электронов и позитронов. Хотя адронная компонента сильно доминирует, наличие лептонной компоненты также очень важно для понимания природы космических лучей, так как в ней может содержаться важная информация о ближайших источниках космических лучей.
ГКЛ являются одной из важнейших компонент межзвездной среды уже хотя бы потому, что соответствующая им пространственная плотность энергии (около 1.5 эВ/см3) сопоставима с плотностью энергии межзвездного электромагнитного поля излучения (от микроволнового фона до ультрафиолетового излучения звезд - всего около
1 эВ/см3), с плотностью энергии магнитного поля (полю 6 мкГс в районе Солнца соответствует энергия примерно 1 эВ/см3) и со средней плотностью кинетической энергии межзвездного газа (~1 эВ/см3). В силу этого ядерная компонента ГКЛ сама по себе требует самого пристального и всестороннего изучения хотя бы с точки зрения потенциальных практических приложений - от вопросов радиационной безопасности космических полетов и космического материаловедения до теории эволюции и проблемы происхождения жизни. Знание ядерной компоненты ГКЛ является основой для расчетов потоков вторичных частиц, таких, как диффузное космическое гамма-излучение, потоки атмосферных мюонов и нейтрино - все это важно для решения различных задач астрофизики.
Важнейшей теоретической проблемой является происхождение космических лучей. Спектр энергий космических лучей в широчайшем диапазоне энергий - приблизительно от 1010 эВ до 1020 эВ на частицу, то есть на протяжении 10 порядков величины, имеет вид, довольно близкий к падающей степенной функции с показателем приблизительно от 2.5 до чуть больше тройки (несколько меняется на протяжении этого энергетического диапазона). В начале 1960-х годов В.Л. Гинзбург и С.И. Сыроватский убедительно показали, что основные характерные особенности поведения космических лучей, включая полную энергетику и степенной спектр энергий, хорошо согласуются с предположением, что основным источником ГКЛ являются оболочки взрывов сверхновых звезд. В конце 1970-х это предположение было подкреплено теорией ускорения заряженных частиц на фронте ударной волны расширяющейся оболочки сверхновой Г.Ф. Крымского и А.Р. Белла, из которой следовало, что ускорение частиц в оболочках сверхновых должно приводить к степенным спектрам энергий с универсальным показателем, близким к двойке, что вместе с учетом утечки космических лучей из Галактики приводит к наблюдаемому спектру энергий.
Хотя теория происхождения космических лучей в остатках сверхновых в настоящее время является в целом общепринятой, многие особенности физики космических лучей остаются не понятыми, и остается также много неясностей и противоречий в отношении наблюдаемого поведения космических лучей. Наиболее известной особенностью спектра космических лучей, которая нарушает простое степенное поведение, является так называемое «колено» космических лучей - излом спектра вблизи энергии 3x1015 эВ - которое открыли сотрудники НИИЯФ МГУ Г.Б. Христиансен и Г.В. Куликов в 1958 г. при анализе спектра космических лучей с использованием непрямой методики широких атмосферных ливней (ШАЛ). Природа колена не вполне неясна до сих пор. Является ли оно индикатором предела ускорения космических лучей в оболочках сверхновых звезд, или, быть может, это следствие некоторых особенностей распространения космических лучей в Галактике - все эти вопросы продолжают обсуждаться. В связи с этим особую важность приобретают исследования деталей поведения химического состава космических лучей вблизи колена. До сих пор область колена исследуется только непрямыми методами ШАЛ, но эти методы дают лишь очень бедную и приблизительную информацию о химическом составе космических лучей. Гораздо более точная информация (с индивидуальным разрешением частиц по заряду) может быть получена с использованием так называемых прямых методов, в которых частицы космических лучей регистрируются не косвенно, по наблюдению развития широких атмосферных ливней, но непосредственно экспериментальной установкой - спектрометром. Для прямого наблюдения космических лучей необходим вынос спектрометра за пределы атмосферы, что достигается в высотных аэростатных экспериментах и в космических миссиях. Инструмент «Нуклон» как раз и является космическим спектрометром, предназначенным, в частности, для изучения химического состава и спектров отдельных ядер вблизи колена. Это, однако является не единственной научной задачей обсерватории Нуклон.
Спектрометр Нуклон может оказаться полезным в решении также следующих имеющихся актуальных проблем:
1. Эксперимент ATIC указал на нестепенной характер поведения энергетических спектров протонов и гелия в области энергий 200-400 ГэВ/нуклон в виде прогиба спектра. Этот результат был затем косвенно подтвержден экспериментом CREAM, прямо наблюдался в виде довольно резкого излома в эксперименте PAMELA, но эксперимент AMS-02 показал существенно степенное поведение спектров (Рис. 1).
Рис. 1
Имеет место противоречие в экспериментальных результатах, которое может быть разрешено с использованием новых экспериментов, включая Нуклон.
2. Эксперименты ATIC и CREAM указывают на нарушение степенного поведения в спектрах тяжелых ядер при энергиях масштаба 500 ГэВ/нуклон в виде уположения спектров, но результат в обоих случаях плохо статистически обеспечен (Рис. 2 и 3) Эксперимент TRACER прямо не подтвердил это явление, но и не находится с ним в явном противоречии, так как имеющейся статистики не хватает для определенных утверждений. Существование эффекта должно быть проверено с использованием более высокой статистики.
Рис. 2 Уположение спектров тяжелых ядер в эксперименте ATIC
Рис. 3. Уположение спектров тяжелых ядер в эксперименте CREAM.
3. Отношения потоков вторичных ядер к первичным, как B/C, несут важную информацию о распространении ядер в Галактике, и должны быть тщательно измерены до как можно более высоких энергий. Между тем, для отношения B/C имеются достаточно надежные экспериментальные данные только до энергий около 30-40 ГэВ/нуклон, где данные разных экспериментов согласуются друг с другом. Имеются измерения при более высоких энергиях, но часть этих данных (PAMELA, AMS-02) имеет предварительный характер и до сих пор не опубликована, другие данные имеют невысокую статистическую обеспеченность и указывают на различное поведение отношения (либо оно падает, либо начинает расти, Рис.4). Данных при высоких энергиях сильно не хватает.
Рис. 4. Отношение B/C по результатам разных экспериментов.
4. В экспериментах HEAO-2-C2, ATIC и TRACER в отношениях потоков тяжелых ядер, содержащих большую долю вторичной компоненты, к потоку железа, наблюдался неожиданный излом вместо ожидаемого стабильного падения (Рис. 5). Результат имеет невысокую статистическую обеспеченность. Нужно также отметить, что полученный результат качественно согласуется с результатами для B/C эксперимента TRACER, имеющими невысокую статистическую значимость (имеется излом в зависимости), но противоречит хорошо статистически обеспеченным данным AMS-02 (нет излома), которые, однако,имеют предварительный характер. Ситуация выглядит весьма запутанной, существование излома в отношении потоков тяжелых ядер к железу должно быть проверено в новых экспериментах с значительно улучшенной статистикой.
Рис. 5. Излом в отношениях потоков тяжелых ядер к потоку железа.
5. В экспериментах ATIC и TRACER наблюдается неожиданный прогиб в отношениях тяжелых обильных ядер к ядру железа (C/Fe, O/Fe), но статистическая надежность эффекта невысока (Рис. 6). Существование эффекта должно быть проверено в новых экспериментах.
Рис. 6. Прогиб в отношении потоков O/Fe по данным экспериментов ATIC и CREAM.
6. Совокупность экспериментальных данных для спектра энергий протонов космических лучей указывает на возможность существования излома спектра («колена») в области энергии 10-20 ТэВ, однако эффект плохо обеспечен и статистически и методически (данные разных экспериментов плохо согласуются). СМ. Рис. 7 и Рис. 8. Возможность существования излома должна быть проверена в новых экспериментах.
Рис. 7. Возможный излом в спектре протонов вблизи 10-20 ТэВ - ранние эксперименты (до ATIC и CREAM).
Рис. 8. Возможный излом в спектре протонов вблизи 10-20 ТэВ - ATIC и CREAM и некоторые другие эксперименты.
7. Экспериментальная информация о спектре электронов космических лучей при энергии выше 200 ГэВ чрезвычайно противоречива. Эксперименты ECC (Nishimura et. al), PPB-BETS, ATIC указывают на существование интенсивного бампа в области 200-600 ГэВ, эксперименты PAMEALA и AMS-02 указывают скорее на чисто степенное поведение спектра,а эксперименты Fermi, H.E.S.S и MAGIC приводят к промежуточному результату (Рис. 9). Очевидно, нужны новые измерения для получения хорошо статистически и методически обеспеченного результата в отношении формы спектра энергий электронов при высоких энергиях.
Рис. 9. Спектр электронов плюс позитронов космических лучей по данным разных экспериментов
(надо бы эту картинку обновить - нет данных AMS-02)
8. В эксперименте ATIC была обнаружена тонкая структура спектра электронов при энергиях выше 200 ГэВ, которая может наблюдаться только при наличии высокого разрешения спектрометра по энергиям (не менее 10%) и при использовании достаточно тонкого биннинга по энергиям (не более тех же 10%). См. Рис. 10. Адекватные условия измерения спектра до сих пор не были обеспечены ни в одном эксперименте, кроме эксперимента ATIC, поэтому существование тонкой структуры, открытой в эксперименте ATIC, до сих пор не проверялось. Существование этого эффекта должно быть проверено в новых экспериментах. Нужно отметить также, что в эксперименте ATIC тонкая структура была обнаружена на самой границе статистической значимости (три стандартных отклонения). Статистическая значимость в любом случае должна быть улучшена.
Рис. 10. Тонкая структура спектра электронов плюс позитронов по данным эксперимента ATIC.
Надо отметить, что все перечисленные в пп. 1-8 явления, если они существуют, имеют большое теоретическое значение, так как ни одно из них не имеет общепризнанного теоретического объяснения и их изучение может дать большой вклад в понимание происхождения и физики космических лучей. Эксперимент Нуклон может дать существенный вклад в изучение всех этих перечисленных феноменов и может решить также другие задачи.