CC BY
41УДК 537.591
70 лет открытию явления «широкие атмосферные ливни»
И.Е. Слепцов
Приведены краткое описание явления «широкие атмосферные ливни» (ШАЛ) в космических лучах, история открытия и роль его метода ШАЛ в исследовании космических лучей сверхвысоких энергий. Подчёркивается большой вклад наших соотечественников в эти исследования.
Here we give a short description of the extensive air shiwer (EAS) phenomenon, a history of its discovery and the role of EAS method in research of ultra-high energy cosmic rays. Significant contribution from our compatriots is emphasized.
Ключевые слова: широкие атмосферные ливни, космические лучи, Якутская установка, астрофизика.
В истории исследования космических лучей (КЛ), которой без малого 100 лет, особое место занимает открытие явления, связанного с их взаимодействием с атмосферой Земли. Когда частицы КЛ, блуждая в космическом пространстве, попадают в атмосферу, они взаимодействуют с атомами воздуха. Суть этого взаимодействия, согласно современным представлениям, заключается в следующем. За счёт ядерных и электромагнитных взаимодействий уже в верхних слоях атмосферы начинается и развивается вглубь лавинообразный процесс образования мощного потока вторичных элементарных частиц, в основном, электронов и мюонов, а также коррелированного с ним электромагнитного излучения. В глубине атмосферы такие потоки, которые и называются широкими атмосферными ливнями (ШАЛ), достигают больших поперечных размеров. Например, частицы с энергией выше 1018 эВ порождают ливни, которые вблизи поверхности Земли содержат 109 и более заряженных частиц, падающих практически одновременно на площадь в несколько квадратных километров. Наглядно ливень представляет собой достаточно плоский и тонкий диск, состоящий из частиц, движущихся через атмосферу со скоростью, близкой к скорости света. При этом плоскость диска перпендикулярна к направлению движения частицы, образовавшей данный ливень, и траектория центра диска является продолжением
СЛЕПЦОВ Иван Ефимович - д.ф.-м.н., зав. отделом ИКФИА СО РАН.
этого направления. В результате, в случае вертикально падающих ШАЛ, частицы ливня достигают поверхности Земли одновременно. Последний факт послужил в своё время необходимым и достаточным условием регистрации частиц, принадлежащих одному ливневому событию, т.е. открытию явления ШАЛ в космических лучах. Для этого нужно было разнести счетчики частиц друг от друга и включить их на совпадение. Именно такие эксперименты впервые в 1938 году были выполнены французским исследователем Пьером Оже и в первое время эти ливни носили его имя - ливни Оже. Это открытие стало возможным благодаря пионерским работам в исследовании КЛ, выполненным в Италии группой Б.Росси и в России под руководством Д.В.Скобельцына в 20-е и 30-е годы прошлого века.
В настоящее время установлено, что энергетический спектр КЛ - зависимость их потока от энергии, простирается в очень широком интервале, от 109 до 1020 эВ. Не придавая значения отдельным деталям, эту зависимость можно представить в степенном виде с показателем -2, т.е. при увеличении энергии в 10 раз интенсивность потока космических лучей уменьшается в 100 раз. При этом интенсивность КЛ с энергией выше 1016 эВ составляет не более одной частицы на квадратный метр за один год. Естественно, при такой малой интенсивности непосредственная их регистрация за границей атмосферы с помощью современных космических аппаратов не представляется эффективной и целесообразной.
Если обратиться к истории исследования КЛ, в частности, к исследованиям для воссоздания феноменологической картины развития ШАЛ, то наряду с многочисленными экспериментальными работами одновременно, на основе результатов последних, разрабатывалась теория электромагнитного и ядерного каскадного развития ШАЛ. Следует отметить, что первым, кто в начале 50-х годов обратил внимание на роль ядерных взаимодействий в измеряемых характеристиках ШАЛ, и основателем ядерно-каскадной теории развития ливня в атмосфере является ныне здравствующий академик РАН Г.Т.Зацепин. В ходе накопления экспериментального материала и успешного теоретического описания основных наблюдаемых характеристик ШАЛ стало понятно, что создан «инструмент», с помощью которого можно получить информацию о самих КЛ, порождающих ШАЛ. Так появилось новое направление в исследовании КЛ, а именно, исследование космических лучей сверхвысоких энергий методом ШАЛ. Эта область энергий охватывает интервал энергий от ~1014 эВ, когда каскад ливневых частиц от ШАЛ ещё может достигать поверхности Земли, и до предельно высокой энергии ~1020 эВ, при которой, несмотря на ничтожно малую интенсивность КЛ таких энергий, ШАЛ от них регистрируются современными установками очень большой светосилы.
Отметим, что и на сегодня метод ШАЛ остаётся единственным в решении астрофизической проблемы происхождения КЛ сверхвысоких энергий и, что очень важно, одновременно служит базой для изучения основных параметров ядерных взаимодействий при энергиях, намного превышающих возможности самых современных ускорителей частиц. В связи с этим уместно вспомнить тот нездоровый ажиотаж, который имел место перед запуском большого адронного коллайдера (БАК), рассчитанного на столкновение встречных пучков протонов с результирующей энергией, равноценной взаимодействию в атмосфере космических лучей с энергией ~1016 эВ. Участники и сторонники этого грандиозного эксперимента выступили против необоснованных предостережений от возможных катастрофических последствий запуска БАК - вплоть до исчезновения планеты Земля в результате образования чёрной дыры, совершенно справедливо апеллируя к результатам исследований космических лучей с энергией вплоть до 1020 эВ.
Вновь обратимся к истории исследования
КЛ, в частности, к исследованиям методом ШАЛ. Как уже говорилось, для регистрации ШАЛ достаточно иметь счётчики заряженных частиц, расставить их на определённой площади и включить на совпадение. На такой основе создавались первые экспериментальные базы - установки ШАЛ. Это новое направление получило развитие в послевоенные годы во многих странах, в том числе в Советском Союзе. В первое время установки ШАЛ создавались на высокогорных научных станциях в составе других экспериментов по исследованию КЛ и преследовали цель изучения, прежде всего, самого явления ШАЛ. По мере понимания важной роли метода ШАЛ стали создаваться самостоятельные базы, на которых, наряду с изучением наблюдаемых характеристик ШАЛ, были получены первые результаты о свойствах КЛ сверхвысоких энергий, прежде всего, об энергетическом спектре. Так, на установке, созданной под руководством Г.Б.Христиансена (бывшего аспиранта Г.Т.Зацепина) при Московском госуниверситете им.М.В.Ломоносова, впервые, в конце 50-х годов, получили указание на нерегулярность в поведении энергетического спектра в области энергий ~1015 эВ. Этот результат был оформлен как открытие, а сама нерегулярность носит название «колено». Ещё до этих работ сотрудниками одного из ведущих научных учреждений СССР Физического института им.П.Н.Лебедева для комплексного исследования КЛ, в том числе методом ШАЛ, были созданы высокогорные научные станции на Памире и чуть позже на Тянь-Шане. Долгое время этими работами руководил С.И.Никольский. Его группа плодотворно занималась получением экспериментальных данных о характеристиках ядерных взаимодействий в сверхускорительной области энергий, на основе которых разрабатывались математические модели развития ШАЛ. Однако все эти установки позволяли контролировать наблюдениями небольшую область энергий, от ~1015 эВ до ~1016 эВ, тогда как за рубежом уже начали работать более светосильные установки ШАЛ, нацеленные на энергии вплоть до 1019 эВ.
В начале 60-х годов, по инициативе председателя проблемного Совета АН СССР «Космические лучи» С.Н.Вернова, были начаты работы по проектированию гигантской установки ШАЛ с тем, чтобы ликвидировать отставание от зарубежных исследователей в этой области знания и с целью продвижения в сторону предельно высоких энергий. Подготовку соответствующего Проекта и
его реализацию доверили только что созданному в Якутске Институту космофизических исследований и аэрономии Якутского филиала СО РАН. Нужно отметить, что решающим фактором для такого выбора послужило выполнение следующих требований:
- целесообразность расположения установки в смысле контроля части небесной сферы, включающей полюс и антицентр Галактики;
- одна из лучших местностей в СССР по прозрачности атмосферы, необходимой для проведения оптических наблюдений;
- наличие территории вблизи города, достаточной по площади и без промышленных помех;
- соответствие поставленных задач профилю ИКФИА, в штате которого уже имелись кадры с опытом работы по регистрации ШАЛ;
- готовность участия Якутского госуниверситета в процессе подготовки специалистов нужного профиля;
- поддержка местных директивных органов, болеющих за престиж Республики.
Якутская установка создавалась под непосредственным руководством основоположника исследований космических лучей методом ШАЛ в Якутии Д.Д.Красильникова и его ученика Н.Н.Ефимова. На всех этапах работ, включая работы по проектированию, большую помощь оказали сотрудники основных исследовательских центров СССР: группа НИИЯФ МГУ, возглавляемая Г.Б.Хритиансеном, и лаборатория ФИАН, руководимая С.И.Никольским. В результате мобилизации больших материальных, людских средств со всего Союза и при всемерной поддержке установка была создана за короткий, по тем временам, срок - всего за 6-7 лет.
По полной программе установка начала работать в 1973 году и по настоящее время, т.е. в те-
чение 35 лет, на ней поддерживается непрерывная регистрация ШАЛ. За этот период накоплен уникальный экспериментальный материал и совместными усилиями получены приоритетные научные результаты как о самом явлении ШАЛ, так и об астрофизических характеристиках КЛ сверхвысоких энергий. Якутская установка ШАЛ остаётся единственной в России и превосходит зарубежные аналоги своей информативностью. Только на Якутской установке одновременно регистрируются все основные компоненты ШАЛ, включая излучение Вавилова-Черенкова частиц ливня в атмосфере. Следует также отметить, что многолетний опыт работы Якутской установки и полученные на ней важнейшие научные результаты послужили решающим аргументом в пользу скорейшего создания новых гигантских установок ШАЛ за рубежом и проведения подобных исследований. В настоящее время реализуются несколько международных проектов по созданию установок нового поколения с площадью контроля тысячи и десятки тысяч квадратных километров.
В заключение необходимо подчёркнуть, что наши соотечественники, проводившие исследования космических лучей методом ШАЛ, внесли значительный вклад в мировую науку, о чём свидетельствуют признания их заслуг. Так, все вышеупомянутые Д.В.Скобельцын. Г.Т.Зацепин, Г.Б.Христиансен, С.И.Никольский, Д.Д.Красильников и Н.Н.Ефимов в 1982 году были удостоены высшей награды страны и стали лауреатами Ленинской премии по науке и технике. Сам инициатор создания Якутской установки ШАЛ и научный руководитель многих групп этого направления исследований С.Н.Вернов не попал в этот список награждённых лишь потому, что он уже в конце 60-х годов стал лауреатом Ленинской премии за открытие радиационных поясов Земли.
УДК 63 1.4:55 1.4
Новая книга по почвам криолитозоны
Современный период развития почвоведения в России отличается интенсификацией работ в области накопления данных о почвах Восточной Сибири. Проблемы сибирского почвоведения требуют глубокого исследования генезиса и эволюции
почв, объективной оценки их как естественно-исторических образований и объектов хозяйственного использования. Почвы являются непременным условием существования биосферы и общества. В этой связи особо привлекает вни-
