Космічні промені і Реліктове випромінювання ВО ВСЕСВІТУ
Г. Є. Кочар
Відкриття космічних променів, подібно до багатьох відкриттів, було зроблено випадково в процесі вивчення іншого явища. У 1911 році молодий австрійський фізик Віктор Гесс підняв іонізаційну камеру на повітряній кулі з метою вимірювання коефіцієнта поглинання гамма-випромінювання, що випускається земною корою. Всупереч очікуванням швидкість іонізації з віддаленням від земної поверхні не тільки не зменшилася, як очікував Гесс, а навіть збільшилася. У 1912 році Гесс скоїв ще сім польотів на повітряних кулях. Перший з них був 17 квітня 1912 року у час часткового сонячного затемнення. Зменшення швидкості іонізації не було, і Гесс уклав, що Сонце не є джерелом іонізації. Сьомий знаменитий політ почався 7 серпня 1912 року в 6 год 12 хв ранку біля міста Ауссіта (Австрія). Була досягнута рекордна висота 5350 м При підніманні до 1000 м було невелике зменшення швидкості іонізації, зумовленої поглинанням гамма-випромінювання радіоактивних речовин, що знаходяться в земній корі. Після цього іонізація навколишнього повітря стала збільшуватися з висотою. Таким чином, куля наближався до джерела іонізації, а не віддалявся від нього. Гесс встановив, що на висоті 5 км швидкість іонізації була вже в чотири рази більше, ніж на рівні моря.
У результаті ретельного аналізу отриманих даних Гесс прийшов до висновку, що випромінювання великої проникаючої здатності входить в атмосферу зверху. Відкрите випромінювання Гесс назвав ультра-гамма-випромінюванням. У 1925 році американський фізик Роберт Міллікен запропонував перейменувати це випромінювання в космічні промені. Нобелівську премію Гесс отримав в 1936 році, тобто через 24 роки після відкриття космічних променів. За визначенням, Нобелівська премія повинна присуджуватися за новітні досягнення. Затримка була зумовлена як наявністю сумнівів в існуванні космічних променів, так і необхідністю розуміння важливості цього нового явища для фізики і астрофізики.
У 20-ті роки Р. Міллікен і В. Кольхерстера, інтенсивно займаються космічними променями, вивчали, як вони поглинаються в атмосфері Землі, воді та інших речовинах. Але що собою представляли ці промені, ніхто не знав. Не було в руках вчених, які досліджують космічні промені, приладу, придатного для вивчення цього явища, хоча він уже існував. Це була камера Вільсона - один з найбільш чудових фізичних приладів, вперше дозволив здійснити те, що будь-який фізик міг би порахувати нездійсненною фантазією: побачити треки окремих елементарних частинок.
У 1923 році Д.В. Скобельцина починає займатися ефектом Комптона, тобто вивченням характеристик електронів, вибивані гамма-променями радіоактивних речовин, в лабораторії, якою керував його батько в Ленінградському політехнічному інституті, а також у Фізико-технічному інституті, де він тоді працював. Для цієї мети він вирішив використовувати камеру Вільсона, вміщену в магнітне поле. За сучасними масштабами магнітне поле було слабким, всього 1000 ерстед, але цього було цілком досить для вивчення ефекту Комптона. За допомогою розробленої ним методики Д.В. Скобельцина вперше вдалося безпосередньо спостерігати і фотографувати шляху електронів віддачі, що виходять в результаті зіткнення гамма-квантів з електронами атомів газу, наполнявшего камеру. Енергія електронів вимірювалася за відхиленням їх треків у магнітному полі.
Такі дослідження не тільки підтвердили гіпотезу про квантову природу ефекту Комптона, а й дозволили ефективно застосовувати це явище для спектроскопії гамма-променів. У ході робіт було зроблено одне цікаве спостереження, яке ніяк не можна було пояснити за рахунок радіоактивних речовин. Серед слідів в камері були й такі, які належали частинкам, значно перевершує по енергії всі інші. І найголовніше, що вони з'являлися групами. Проаналізувавши треки цих частинок, Д.В. Скобельцина прийшов до висновку, що подібні частинки можуть створювати якраз таку іонізацію, яку створюють космічні промені.
Для того щоб виявити таке рідкісне явище, як поява в камері космічної частинки на тлі багатьох слідів інших частинок, потрібно було експериментальне мистецтво. І тільки незвично точні вимірювання імпульсів частинок дозволили надійно відокремити сліди частинок космічних променів від слідів електронів віддачі. Таким чином, тільки через 15 років після робіт Гесса і Кольхерстера були встановлені винуватці іонізації молекул атмосфери Землі - космічні частинки. Але Д.В. Скобельцина відкрив не тільки заряджені частинки, що приходять з Космосу, а й те, що вони приходять до поверхні Землі групами - зливами. І зараз, через 70 років, можна сказати, що фізика високих енергій веде свій початок саме від цих робіт.
Результати досліджень Д.В. Скобельцина викликали великий резонанс у науковому світі того часу. Один з творців квантової механіки - В. Гейзенберг детально обговорював результати Д.В. Скобельцина в одній зі своїх розгорнутих статей і будував на їх основі нові гіпотези. Космічні промені, генеровані в природних прискорювачах частинок, зіграли вирішальну роль у розвитку фізики високих енергій та елементарних частинок. Навіть зараз, за наявності могутньої армії прискорювачів частинок, космічні промені не виявилися "безробітними". Більш того, природні прискорювачі часток, що дозволяють діагностувати фізичні процеси при ультрависокої енергії та на ультрадалекіх відстанях, регулярно підносять сюрпризи і загадки у фізиці та астрофізиці. Нижче буде приділено основну увагу космічних променів ультрависокої енергії (Е> жовтні 1920 еВ), які в рамках сучасних уявлень не мали дійти до земної атмосфери. Але вони дійшли. Чому?
Про походження космічних променів
В даний час немає однозначної відповіді на питання про походження космічних променів. Ясно одне, що крім Сонця, яке є джерелом космічних променів щодо низької енергії, на небі є джерела, які забезпечують прискорення частинок до дуже великих енергій. У цілому проблема походження космічних променів включає механізм прискорення та поширення в різних умовах. На основі багаторічних досліджень з використанням супутникового та балонної техніки, наземних експериментів встановлено наступні основні характеристики галактичних космічних променів.
1. Щільність енергії космічних променів становить 1 еВ в 1 см 3. Ця величина порівнянна з щільністю енергії світла зірок, чорнотільного випромінювання, турбулентного руху міжзоряного газу, магнітного поля в Космосі. Таким чином, космічні промені є рівноправними партнерами в космічному співтоваристві і відповідно їх внесок у динаміку космічних явищ є вагомим.
2. Диференціальний енергетичний спектр галактичних космічних променів ступеневій: N (E) ~ E - g, де g = 2,7, від низьких енергій до 10 15 еВ. Для енергії більше 3 · жовтня 1915 еВ в спектрі є важливі особливості, які будуть розглянуті нижче.
3. Аж до дуже високих енергій не виявлена анізотропія.
4. Потік галактичних космічних променів практично не змінюється в часі.
5. Найбільш вірогідним джерелом галактичних космічних променів є вибухи наднових зірок. Основа такого висновку - енергетичні міркування. Основні ідеї та конкретні теоретичні розробки належать В.Л. Гінзбургу.
Атмосфера землі - захисний екран і детектор космічних променів надвисокої енергії
Земна атмосфера виконує дві важливі функції. По-перше, вона бере удар на себе і рятує людей від опромінення космічними променями. Відомо, що люди, які живуть в гірських районах або часто літають літаком, отримують значну дозу радіації. По-друге, атмосфера трансформує космічні промені високої і надвисокої енергії в частинки й випромінювання низьких енергій, які реєструються традиційними наземними детекторами.
Теорія проходження космічного випромінювання через атмосферу Землі базується на ідеї, сформульованої в 1949 році Г.Т. Зацепіним, про існування ядерно-каскадного процесу. Встановлено, що при взаємодії космічних променів з ядрами первинний нуклон втрачає всього частину своєї енергії на генерацію вторинних частинок. Друге взаємодія нуклона майже не відрізняється від першого. Генеровані при високих енергіях півонії не встигають розпастися і теж беруть участь у ядерних процесах. Товщина атмосфери досить велика і має місце десять послідовних зіткнень первинної частки. Півонії розпадаються і народжуються електронно-фотонні каскади. У кінцевому підсумку в атмосфері утворюється ціла лавина процесів. При енергії первинної частки жовтня 1914 еВ або більше число часток у зливі дуже велике, тому що частинки можуть розходитися до відстаней, що досягають сотень метрів і більше. Такий повітряний злива називають широким атмосферним зливою (шал).
Систематичні експериментальні дослідження космічних променів надвисокої енергії почалися в кінці 50-х років XX століття після запуску великих установок з вимірювання шал в Волкано-Ренч (США) і Москві (установка МДУ). Виконані на цих установках вимірювання виявили частинки з енергією 1017-1018 еВ в складі космічних променів і їх крутий енергетичний спектр. Згодом були введені нові великі установки в різних країнах світу, що дозволило отримати детальну інформацію про спектр космічних променів надвисокої енергії та їх анізотропії. Космічні промені надвисокої енергії Е> 17 жовтня еВ, швидше за все, мають позагалактичну природу через труднощі їх утримання галактичними магнітними полями.
Про поширення космічних променів надвисокої енергії від джерела до сонячної системи
У 1961 році Бруно Понтекорво і Я.А. Смородинський сформулювали гіпотезу про те, що речовина утворилося на щільному тлі нейтрино і антинейтрино. Під час флуктуації щільність енергії нейтрино повинна була бути набагато більше щільності енергії виник речовини. Це означає, що в даний час у Всесвіті повинні знаходитися залишки фону. Крім того, нейтрино, безперервно утворюються за рахунок різних ядерних реакцій, накопичуються, тому що у Всесвіті вони практично не поглинаються. Нейтрино, як і будь-яка матерія, повинні створювати навколо себе гравітаційне поле, викривляти простір і впливати на динаміку розвитку Всесвіту. Я.Б. Зельдович і Я.А. Смородинський в 1961 році запропонували метод оцінки щільності енергії, що полягає в тому, що при відомому сучасному стані Всесвіту щільність всіх видів матерії визначає минуле Всесвіту.
Різні прояви нейтринного моря дуже активно обговорювалися на початку 60-х років. Зокрема, Б.П. Константинов і автор цих рядків прийшли до висновку про можливе обриві форми енергетичного спектру космічних променів надвисокої енергії (більше 17 жовтень еВ) за рахунок взаємодії з нейтрино морем у Всесвіті. Незабаром був виявлений реліктовий фон фотонів у Всесвіті і стало ясно, що спектр космічних променів надвисокої енергії повинен сильно обриватися саме за рахунок взаємодії з фотонами, якщо джерело космічних променів знаходиться досить далеко. Можливість спотворення спектра космічних променів за рахунок взаємодії з нейтрино фоном згадана в цій статті не тільки з точки зору історії розвитку обговорюваної проблеми про космічних променях надвисокої енергії. Як буде показано нижче, нейтринне випромінювання претендує на "монополію над космічними променями надвисокої енергії". Зараз вже обговорюється ідея про те, що не протони є представниками космічних променів надвисокої енергії, а саме нейтринне випромінювання. Ця далеко не стандартна ідея була запропонована ще в 1968 році В.С. Березинським і Г.Т. Зацепіним. Тут же хочеться відзначити також, що Г.Т. Зацепін першим (у 1951 році) сформулював ідею про те, що космічні промені надвисокої енергії повинні втрачати енергію при взаємодії з фотонами низьких енергій (на прикладі фотонів сонячного випромінювання).
Ефект Грейзена, Зацепина і Кузьміна і форма енергетичного спектру космічних променів в області надвисокої енергії
Незабаром після виявлення фону реліктових фотонів Г.Т. Зацепін та В.А. Кузьмін і К. Грейзен показали, що наявність реліктових фотонів має призвести до дефіциту потоків космічних променів в області надвисокої енергії (Е> жовтні 1919 еВ). Ця фундаментальна ідея базується на тому, що прискорювати частинки настільки високої енергії в Галактиці надзвичайно важко, а в радіогалактика і квазарах такі енергії порівняно легко досяжні. Однак виникає трудність у поширенні таких частинок в міжгалактичному просторі. Через зіткнення протонів з реліктовим випромінюванням (Т = 2,7 К) частки надвисокої енергії повинні гальмуватися, то є енергетичний спектр повинен ставати більш крутим при енергії більш 19 жовтня еВ. Зареєстровані протони з енергією вище 3 · 20 жовтня еВ не можуть мати вік більше 108 років, тобто джерело має знаходитися не далі 1026 см. Оскільки частинки з такою великою енергією практично не відхиляються в галактичних і міжгалактичних магнітних полях, направлення на джерело відомо. Проте відповідного джерела в такому напрямку немає.
Фундаментальна важливість обговорюваної проблеми неминуче призвела до величезного інтересу як теоретиків, так і експериментаторів.
Рис. 1.
Розглянемо тепер новітні експериментальні дані, отримані на установці "Акено" за інтервал часу з лютого 1990 по жовтень 1997 року. Площа цієї установки шал складає 100 км 2, і досягнуто найбільший час експозиції в порівнянні з іншими установками шал. Установка складається з 111 детекторів, кожна площею 2,2 м 2; відстань між детекторами 1 км; помилка вимірювання повної енергії складає ~ 20%. Отриманий енергетичний спектр, помножений на Е 3, представлений на рис. 1. Штрихова крива відображає енергетичний спектр позагалактичних джерел, розподілених однорідно у Всесвіті. Усього подій з енергією більше 1020 еВ - шість, і це свідчить про те, що всупереч очікуванням обрізання спектру через реліктового випромінювання для таких часток немає. Природно виникає питання: чому? Відповіді на це фундаментальне питання в даний час немає. Обговорюються такі дві можливості.
1. Існує раніше невідома компонента космічних променів надвисокої енергії за межами області обрізання енергетичного спектру чорнотільного випромінюванням.
2. Космічні промені ультрависокої енергії представлені не протонами, а нейтринних випромінюванням. Відсутність заряду і стабільність дозволяють нейтрино уникнути ефекту Грейзена-Зацепина-Кузьміна і досягти Землі, навіть якщо джерело знаходиться дуже далеко. Якщо тепер припустити, що нейтрино при ультрависоких енергіях набувають здатність сильного впливу, то вони можуть генерувати широкі атмосферні зливи. Запропоновано конкретна можливість перевірки цієї фундаментальної ідеї шляхом визначення висотного профілю шал (рис. 2)
Рис. 2.
На закінчення хочеться відзначити, що, враховуючи багату і нестандартну історію народження і розвитку нейтрино, можна припустити, що нові несподіванки та сюрпризи з фізики і астрофізики нейтрино цілком реальні.
Г. Є. Кочар
Відкриття космічних променів, подібно до багатьох відкриттів, було зроблено випадково в процесі вивчення іншого явища. У 1911 році молодий австрійський фізик Віктор Гесс підняв іонізаційну камеру на повітряній кулі з метою вимірювання коефіцієнта поглинання гамма-випромінювання, що випускається земною корою. Всупереч очікуванням швидкість іонізації з віддаленням від земної поверхні не тільки не зменшилася, як очікував Гесс, а навіть збільшилася. У 1912 році Гесс скоїв ще сім польотів на повітряних кулях. Перший з них був 17 квітня 1912 року у час часткового сонячного затемнення. Зменшення швидкості іонізації не було, і Гесс уклав, що Сонце не є джерелом іонізації. Сьомий знаменитий політ почався 7 серпня 1912 року в 6 год 12 хв ранку біля міста Ауссіта (Австрія). Була досягнута рекордна висота 5350 м При підніманні до 1000 м було невелике зменшення швидкості іонізації, зумовленої поглинанням гамма-випромінювання радіоактивних речовин, що знаходяться в земній корі. Після цього іонізація навколишнього повітря стала збільшуватися з висотою. Таким чином, куля наближався до джерела іонізації, а не віддалявся від нього. Гесс встановив, що на висоті 5 км швидкість іонізації була вже в чотири рази більше, ніж на рівні моря.
У результаті ретельного аналізу отриманих даних Гесс прийшов до висновку, що випромінювання великої проникаючої здатності входить в атмосферу зверху. Відкрите випромінювання Гесс назвав ультра-гамма-випромінюванням. У 1925 році американський фізик Роберт Міллікен запропонував перейменувати це випромінювання в космічні промені. Нобелівську премію Гесс отримав в 1936 році, тобто через 24 роки після відкриття космічних променів. За визначенням, Нобелівська премія повинна присуджуватися за новітні досягнення. Затримка була зумовлена як наявністю сумнівів в існуванні космічних променів, так і необхідністю розуміння важливості цього нового явища для фізики і астрофізики.
У 20-ті роки Р. Міллікен і В. Кольхерстера, інтенсивно займаються космічними променями, вивчали, як вони поглинаються в атмосфері Землі, воді та інших речовинах. Але що собою представляли ці промені, ніхто не знав. Не було в руках вчених, які досліджують космічні промені, приладу, придатного для вивчення цього явища, хоча він уже існував. Це була камера Вільсона - один з найбільш чудових фізичних приладів, вперше дозволив здійснити те, що будь-який фізик міг би порахувати нездійсненною фантазією: побачити треки окремих елементарних частинок.
У 1923 році Д.В. Скобельцина починає займатися ефектом Комптона, тобто вивченням характеристик електронів, вибивані гамма-променями радіоактивних речовин, в лабораторії, якою керував його батько в Ленінградському політехнічному інституті, а також у Фізико-технічному інституті, де він тоді працював. Для цієї мети він вирішив використовувати камеру Вільсона, вміщену в магнітне поле. За сучасними масштабами магнітне поле було слабким, всього 1000 ерстед, але цього було цілком досить для вивчення ефекту Комптона. За допомогою розробленої ним методики Д.В. Скобельцина вперше вдалося безпосередньо спостерігати і фотографувати шляху електронів віддачі, що виходять в результаті зіткнення гамма-квантів з електронами атомів газу, наполнявшего камеру. Енергія електронів вимірювалася за відхиленням їх треків у магнітному полі.
Такі дослідження не тільки підтвердили гіпотезу про квантову природу ефекту Комптона, а й дозволили ефективно застосовувати це явище для спектроскопії гамма-променів. У ході робіт було зроблено одне цікаве спостереження, яке ніяк не можна було пояснити за рахунок радіоактивних речовин. Серед слідів в камері були й такі, які належали частинкам, значно перевершує по енергії всі інші. І найголовніше, що вони з'являлися групами. Проаналізувавши треки цих частинок, Д.В. Скобельцина прийшов до висновку, що подібні частинки можуть створювати якраз таку іонізацію, яку створюють космічні промені.
Для того щоб виявити таке рідкісне явище, як поява в камері космічної частинки на тлі багатьох слідів інших частинок, потрібно було експериментальне мистецтво. І тільки незвично точні вимірювання імпульсів частинок дозволили надійно відокремити сліди частинок космічних променів від слідів електронів віддачі. Таким чином, тільки через 15 років після робіт Гесса і Кольхерстера були встановлені винуватці іонізації молекул атмосфери Землі - космічні частинки. Але Д.В. Скобельцина відкрив не тільки заряджені частинки, що приходять з Космосу, а й те, що вони приходять до поверхні Землі групами - зливами. І зараз, через 70 років, можна сказати, що фізика високих енергій веде свій початок саме від цих робіт.
Результати досліджень Д.В. Скобельцина викликали великий резонанс у науковому світі того часу. Один з творців квантової механіки - В. Гейзенберг детально обговорював результати Д.В. Скобельцина в одній зі своїх розгорнутих статей і будував на їх основі нові гіпотези. Космічні промені, генеровані в природних прискорювачах частинок, зіграли вирішальну роль у розвитку фізики високих енергій та елементарних частинок. Навіть зараз, за наявності могутньої армії прискорювачів частинок, космічні промені не виявилися "безробітними". Більш того, природні прискорювачі часток, що дозволяють діагностувати фізичні процеси при ультрависокої енергії та на ультрадалекіх відстанях, регулярно підносять сюрпризи і загадки у фізиці та астрофізиці. Нижче буде приділено основну увагу космічних променів ультрависокої енергії (Е> жовтні 1920 еВ), які в рамках сучасних уявлень не мали дійти до земної атмосфери. Але вони дійшли. Чому?
Про походження космічних променів
В даний час немає однозначної відповіді на питання про походження космічних променів. Ясно одне, що крім Сонця, яке є джерелом космічних променів щодо низької енергії, на небі є джерела, які забезпечують прискорення частинок до дуже великих енергій. У цілому проблема походження космічних променів включає механізм прискорення та поширення в різних умовах. На основі багаторічних досліджень з використанням супутникового та балонної техніки, наземних експериментів встановлено наступні основні характеристики галактичних космічних променів.
1. Щільність енергії космічних променів становить 1 еВ в 1 см 3. Ця величина порівнянна з щільністю енергії світла зірок, чорнотільного випромінювання, турбулентного руху міжзоряного газу, магнітного поля в Космосі. Таким чином, космічні промені є рівноправними партнерами в космічному співтоваристві і відповідно їх внесок у динаміку космічних явищ є вагомим.
2. Диференціальний енергетичний спектр галактичних космічних променів ступеневій: N (E) ~ E - g, де g = 2,7, від низьких енергій до 10 15 еВ. Для енергії більше 3 · жовтня 1915 еВ в спектрі є важливі особливості, які будуть розглянуті нижче.
3. Аж до дуже високих енергій не виявлена анізотропія.
4. Потік галактичних космічних променів практично не змінюється в часі.
5. Найбільш вірогідним джерелом галактичних космічних променів є вибухи наднових зірок. Основа такого висновку - енергетичні міркування. Основні ідеї та конкретні теоретичні розробки належать В.Л. Гінзбургу.
Атмосфера землі - захисний екран і детектор космічних променів надвисокої енергії
Земна атмосфера виконує дві важливі функції. По-перше, вона бере удар на себе і рятує людей від опромінення космічними променями. Відомо, що люди, які живуть в гірських районах або часто літають літаком, отримують значну дозу радіації. По-друге, атмосфера трансформує космічні промені високої і надвисокої енергії в частинки й випромінювання низьких енергій, які реєструються традиційними наземними детекторами.
Теорія проходження космічного випромінювання через атмосферу Землі базується на ідеї, сформульованої в 1949 році Г.Т. Зацепіним, про існування ядерно-каскадного процесу. Встановлено, що при взаємодії космічних променів з ядрами первинний нуклон втрачає всього частину своєї енергії на генерацію вторинних частинок. Друге взаємодія нуклона майже не відрізняється від першого. Генеровані при високих енергіях півонії не встигають розпастися і теж беруть участь у ядерних процесах. Товщина атмосфери досить велика і має місце десять послідовних зіткнень первинної частки. Півонії розпадаються і народжуються електронно-фотонні каскади. У кінцевому підсумку в атмосфері утворюється ціла лавина процесів. При енергії первинної частки жовтня 1914 еВ або більше число часток у зливі дуже велике, тому що частинки можуть розходитися до відстаней, що досягають сотень метрів і більше. Такий повітряний злива називають широким атмосферним зливою (шал).
Систематичні експериментальні дослідження космічних променів надвисокої енергії почалися в кінці 50-х років XX століття після запуску великих установок з вимірювання шал в Волкано-Ренч (США) і Москві (установка МДУ). Виконані на цих установках вимірювання виявили частинки з енергією 1017-1018 еВ в складі космічних променів і їх крутий енергетичний спектр. Згодом були введені нові великі установки в різних країнах світу, що дозволило отримати детальну інформацію про спектр космічних променів надвисокої енергії та їх анізотропії. Космічні промені надвисокої енергії Е> 17 жовтня еВ, швидше за все, мають позагалактичну природу через труднощі їх утримання галактичними магнітними полями.
Про поширення космічних променів надвисокої енергії від джерела до сонячної системи
У 1961 році Бруно Понтекорво і Я.А. Смородинський сформулювали гіпотезу про те, що речовина утворилося на щільному тлі нейтрино і антинейтрино. Під час флуктуації щільність енергії нейтрино повинна була бути набагато більше щільності енергії виник речовини. Це означає, що в даний час у Всесвіті повинні знаходитися залишки фону. Крім того, нейтрино, безперервно утворюються за рахунок різних ядерних реакцій, накопичуються, тому що у Всесвіті вони практично не поглинаються. Нейтрино, як і будь-яка матерія, повинні створювати навколо себе гравітаційне поле, викривляти простір і впливати на динаміку розвитку Всесвіту. Я.Б. Зельдович і Я.А. Смородинський в 1961 році запропонували метод оцінки щільності енергії, що полягає в тому, що при відомому сучасному стані Всесвіту щільність всіх видів матерії визначає минуле Всесвіту.
Різні прояви нейтринного моря дуже активно обговорювалися на початку 60-х років. Зокрема, Б.П. Константинов і автор цих рядків прийшли до висновку про можливе обриві форми енергетичного спектру космічних променів надвисокої енергії (більше 17 жовтень еВ) за рахунок взаємодії з нейтрино морем у Всесвіті. Незабаром був виявлений реліктовий фон фотонів у Всесвіті і стало ясно, що спектр космічних променів надвисокої енергії повинен сильно обриватися саме за рахунок взаємодії з фотонами, якщо джерело космічних променів знаходиться досить далеко. Можливість спотворення спектра космічних променів за рахунок взаємодії з нейтрино фоном згадана в цій статті не тільки з точки зору історії розвитку обговорюваної проблеми про космічних променях надвисокої енергії. Як буде показано нижче, нейтринне випромінювання претендує на "монополію над космічними променями надвисокої енергії". Зараз вже обговорюється ідея про те, що не протони є представниками космічних променів надвисокої енергії, а саме нейтринне випромінювання. Ця далеко не стандартна ідея була запропонована ще в 1968 році В.С. Березинським і Г.Т. Зацепіним. Тут же хочеться відзначити також, що Г.Т. Зацепін першим (у 1951 році) сформулював ідею про те, що космічні промені надвисокої енергії повинні втрачати енергію при взаємодії з фотонами низьких енергій (на прикладі фотонів сонячного випромінювання).
Ефект Грейзена, Зацепина і Кузьміна і форма енергетичного спектру космічних променів в області надвисокої енергії
Незабаром після виявлення фону реліктових фотонів Г.Т. Зацепін та В.А. Кузьмін і К. Грейзен показали, що наявність реліктових фотонів має призвести до дефіциту потоків космічних променів в області надвисокої енергії (Е> жовтні 1919 еВ). Ця фундаментальна ідея базується на тому, що прискорювати частинки настільки високої енергії в Галактиці надзвичайно важко, а в радіогалактика і квазарах такі енергії порівняно легко досяжні. Однак виникає трудність у поширенні таких частинок в міжгалактичному просторі. Через зіткнення протонів з реліктовим випромінюванням (Т = 2,7 К) частки надвисокої енергії повинні гальмуватися, то є енергетичний спектр повинен ставати більш крутим при енергії більш 19 жовтня еВ. Зареєстровані протони з енергією вище 3 · 20 жовтня еВ не можуть мати вік більше 108 років, тобто джерело має знаходитися не далі 1026 см. Оскільки частинки з такою великою енергією практично не відхиляються в галактичних і міжгалактичних магнітних полях, направлення на джерело відомо. Проте відповідного джерела в такому напрямку немає.
Фундаментальна важливість обговорюваної проблеми неминуче призвела до величезного інтересу як теоретиків, так і експериментаторів.
Рис. 1.
Розглянемо тепер новітні експериментальні дані, отримані на установці "Акено" за інтервал часу з лютого 1990 по жовтень 1997 року. Площа цієї установки шал складає 100 км 2, і досягнуто найбільший час експозиції в порівнянні з іншими установками шал. Установка складається з 111 детекторів, кожна площею 2,2 м 2; відстань між детекторами 1 км; помилка вимірювання повної енергії складає ~ 20%. Отриманий енергетичний спектр, помножений на Е 3, представлений на рис. 1. Штрихова крива відображає енергетичний спектр позагалактичних джерел, розподілених однорідно у Всесвіті. Усього подій з енергією більше 1020 еВ - шість, і це свідчить про те, що всупереч очікуванням обрізання спектру через реліктового випромінювання для таких часток немає. Природно виникає питання: чому? Відповіді на це фундаментальне питання в даний час немає. Обговорюються такі дві можливості.
1. Існує раніше невідома компонента космічних променів надвисокої енергії за межами області обрізання енергетичного спектру чорнотільного випромінюванням.
2. Космічні промені ультрависокої енергії представлені не протонами, а нейтринних випромінюванням. Відсутність заряду і стабільність дозволяють нейтрино уникнути ефекту Грейзена-Зацепина-Кузьміна і досягти Землі, навіть якщо джерело знаходиться дуже далеко. Якщо тепер припустити, що нейтрино при ультрависоких енергіях набувають здатність сильного впливу, то вони можуть генерувати широкі атмосферні зливи. Запропоновано конкретна можливість перевірки цієї фундаментальної ідеї шляхом визначення висотного профілю шал (рис. 2)
Рис. 2.
На закінчення хочеться відзначити, що, враховуючи багату і нестандартну історію народження і розвитку нейтрино, можна припустити, що нові несподіванки та сюрпризи з фізики і астрофізики нейтрино цілком реальні.