Физика. Астрофизика и космические лучи.

Бовин А.А., Бовина-Уэлч А.Г.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 63, г. Краснодар, Россия

Простейший детектор космических частиц

Познанию космоса способствуют астрономические наблюдения, полёты космических аппаратов и кораблей. Одним из важных объектов, несущих информацию об окружающем нас космосе, являются космические частицы, которыми непрерывно облучается наша планета. Все виды излучений, приходящие на Землю из космоса, в том числе и космические частицы, в начале ХХ века Роберт Милликен назвал космическими лучами.

Изучение космических лучей позволяет получать много новой информации о различных объектах нашей галактики ― планетах и звёздах, в том числе нейтронных и сверхновых, а также, возможно, поможет найти доказательства существования антиматерии, тёмной и странной материи.

Подробно о способах регистрации космических частиц, о принципе действия и устройстве детекторов космических лучей изложено в работе [1].

В настоящее время исследованием космических частиц интенсивно занимаются практически во всех крупных обсерваториях. Детекторы космического излучения часто устанавливают на космических аппаратах, но развиваются и совершенствуются также наземные наблюдения.

Современные приборы для изучения космических лучей – довольно сложные ядерно-физические системы, способные с большой точностью восстанавливать параметры первичной частицы. Калориметры – их составная часть. На рис.1 показан один из современных приборов для исследования космических лучей. Этот прибор использовался в двух аэростатных экспериментах в Антарктиде в 2000 и 2002 годах. Он состоит из набора различных детекторов и мишеней и позволяет идентифицировать энергию, заряд, массу частицы и её траекторию.

Однако, как оказалось, для регистрации космических частиц можно использовать достаточно простые детекторы.

Детектор А.В. Коробкина для обнаружения заряженных частиц.

Занимаясь исследованием свойств ферромагнитной жидкости (ФМЖ) в 2006 году научным сотрудником ОАО «РосНИПИтермнефть» Анатолием Владимировичем Коробкиным был изобретён детектор для обнаружения заряженных частиц [2].

Изобретение относится к физике частиц и может быть использовано в космологии, физике высоких энергий, в астрофизике для изучения сверхвысоких энергий. Предложенное изобретение позволяет упростить конструкцию детекторов высокоэнергетических частиц и обеспечить высокую достоверность их регистрации. Детектор для обнаружения и регистрации заряженных частиц содержит параллельно расположенные прозрачные стеклянные пластины, между которыми размещены токопроводящие электроды и залита ферромагнитная жидкость. При этом пластины соединены с источником постоянного напряжения, с балластным сопротивлением и с регистрирующими электрический сигнал устройствами, а для визуализации образующихся на пластинах пространственно-симметричных треков детектор снабжен микроскопом.

При помощи микроскопа можно визуально увидеть следы-треки, образованные при движении частиц между пластинами, и также определить физические характеристики: азимут пролета, класс частиц (изотопы, ядра, легкие частицы), энергию частиц, спин частиц. Треки частицы с высокой энергией ~10¹⁵ эВ, влетающие в слой магнитной жидкости, разделяются на два потока, которые продолжают свое движение в пространстве между стеклом и жидкостью. Треки представляют собой борозды и трещины, как бы процарапанные частицами на поверхностях стёкол, примыкающих к ФМЖ. Автор объясняет их появление так: „ …при движении частицы вблизи к поверхности стекла образуется область кавитации, обусловленная понижением давления за движущейся частицей. Возникает деформация слоя. Одновременно присутствует механизм разогрева жидкости, что приводит к ее вскипанию и образованию газовых пузырьков. Когда диаметр пузырька становиться в несколько раз больше длины свободного пробега электрона в газе, через последний проскакивает разряд. Напряжения, растягивающие поверхность, могут вызвать образования первичных трещин…. При схлопывании газового пузыря размером r_o=10^-3 см растягивающее напряжение на поверхности стекла σ_max=10⁷ Па. Это растягивающее напряжение является основной причиной начала разрушения

Рис. 3.

Рис. 2.

поверхности в области движения частицы”.

Фотографии треков, полученных А.В. Коробкиным в 2005-2006 годах, приведены на рис. 2 - 7.

Рис. 4. Рис. 5. Рис. 6. Рис. 7.

Опыты регистрации космических частиц детектором Коробкина.

В данной работе рассмотрены опыты по регистрации космических частиц, в которых использовался детектор А.В. Коробкина.

Каждый детектор был изготовлен из пары предметных стёкол (без проводящего покрытия), между которыми помещалась капля ферромагнитной жидкости таким образом, чтобы получалась плёнка толщиной примерно 30 мкм. Пластинки выставлялись на открытом воздухе в горизонтальном положении. Использованная в экспериментах ФМЖ представляла собой суспензию магнетита в керосине, размер ферромагнитных частиц 0,8 – 1,0 нм.

Первая серия опытов проводилась с середины мая до конца июня 2014 года. Вторая серия опытов - с 8 по 27 ноября 2014 года.

После экспозиции пластинки разъединялись и погружались в керосин для удаления ФМЖ. Далее предметные стёкла просушивались и изучались под микроскопом. В исследованиях использовался микроскоп марки „Levenhuk”, снабжённый Web-камерой и программным обеспечением для обработки изображений на компьютере.

При выполнении указанных экспериментов был исследованы вероятности регистрации космических частиц, т.е. насколько „густо и часто” космические лучи бомбардируют земную поверхность. В работе [3] приведены следующие данные: „…в среднем в 1 мин на 1 см² поверхности атмосферы Земли в единице телесного угла падает 10 первичных частиц со средней энергией 10 ГэВ. Пронизывая слои атмосферы, первичные частицы вызывают превращения встречающихся им на пути атомных ядер азота, кислорода и других элементов, что приводит к возникновению вторичных частиц… Вблизи поверхности Земли при нормальных условиях ежесекундно образуется примерно 1,8 пар ионов в 1 см³ атмосферного воздуха под действием космических лучей”. Интенсивность первичных космических частиц, достигающих поверхности Земли, с энергией порядка 108 ГэВ, согласно [4], составляет 104 событий на 1 км² в год. Это означает, что зарегистрировать подобные высокоэнергичные частицы с помощью детектора, применяемого в данной работе, маловероятно. Однако, с учётом вариаций интенсивности космических лучей, вероятность регистрации излучений меньшей энергии достаточна высока.

По данным Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) геомагнитные бури и вспышки на Солнце, которые тесно связаны с увеличением интенсивности космических лучей, наблюдались именно в те периоды, когда проводились данные эксперименты [5] (рис.8).

В ходе выполненных экспериментов были получены и исследованы с помощью микроскопа треки космических частиц, фотографии которых представлены на рис. 9 – 14.

На рис. 9 – 12 треки, полученные в первой серии опытов. На рис. 13, 14 – во второй серии. Фотографии на рис. 11, 12, 14 представлены в увеличенном масштабе. На снимке (рис. 11) видна спиралеобразная структура трека.

На снимке (рис. 9) видно взаимодействие частиц, а на рис. 12 запечатлён конец трека в виде воронки после взрыва.

Рис. 9. Рис. 10. Рис. 11. Рис. 12.

К сожалению, в рамках данной работы невозможно было выполнить полное исследование полученных треков, так как это представляет собой сложную объёмную работу. Всего зарегистрировано треков в первой серии – 25, во второй – всего 2. Возможно, что в первой серии зарегистрировано интенсивное излучение, не связанное с Солнечной активностью, так как она примерно одинакова для двух серий (рис.8). То есть, излучение, зарегистрированное в первом опыте, имеет, скорее всего, галактическую или межгалактическую природу.

Проведённые эксперименты позволяют сделать следующие выводы:

1. Детектор Коробкина А.В. можно использовать для регистрации космических частиц.

2. Этим детектором регистрируются космические частицы очень высоких энергий, возможно галактической природы.

3. Затруднительно предсказать периоды времени и место для успешной регистрации космических лучей, поскольку галактические лучи не связаны с активностью Солнца.

Заключение.

Исследование космических лучей, начатое в начале 20-го века, успешно развивается и в настоящее время. Применение новых конструкций детекторов, использование возможностей внеатмосферных исследований позволяет получать всё больше информации о строении и эволюции Вселенной. Но оказывается, что и простейшие детекторы (например, детектор А.В. Коробкина) позволяют успешно регистрировать и исследовать космические частицы, которые непрерывно посылают на нашу Землю далёкие звёзды и галактики.

Литература:

1. Н.Н. Калмыков, Г.В. Куликов, Т.М. Роганова. Галактические космические лучи. НИИЯФ МГУ. http://www.kosmofizika.ru/abmn/kalmikov/cosrays.htm. Поступило 05.10.06.

2. Детектор для обнаружения заряженных частиц. Патент РФ 2287172.

3. К.А. Путилов, В.А. Фабрикант. Курс физики. Т. 3. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. Изд. Второе. Государственное издательство физ.-мат. лит-ры. М.: 1963.

4. Л.И. Сарычева. Физика высоких энергий и элементарные частицы. Спецкурс. Москва, Изд. – КДУ, 2007.

5. http://www.tesis.lebedev.ru/forecast_activity.html?m=11&y=2014.