Детектирование космических лучей сверх высоких энергий из

Детектирование космических
лучей сверх высоких энергий из
космоса
Дмитрий В. Наумов
Лаборатория Ядерных Проблем
ОИЯИ
План лекций:
Первая Лекция
✔
✔
✔
✔
✔
Большие и малые энергии
История космических лучей
Космические лучи
Широкие атмосферные ливни
Космические лучи сверх-высоких энергий
План лекций:
Вторая Лекция
✔
✔
✔
✔
Происхождение космических лучей сверх-высоких
энергий
Микроволновой фон и его роль в прохождении
космических лучей к Земле
Экспериментальное наблюдение космических
лучей сверх-высоких энергий. Загадки. Возможные
решения...
Современные детекторы
✔ Наземные
✔ Космические
Большие и малые энергии
1 эВ = 1,602 · 10–19 Дж
0, 000 000 000 000 000 000 16 Дж
Энергия = Сила х Путь
✗ Величина измерения
1 калория = 4.184 Джоуля
✗ Джоуль в Макро мире
1020 эВ = 4 калории
✗ Электрон-Вольт в Микро мире:
= 2 таблетки Тик-Так
энергия, приобретаемая
электронов, проходящим
разность потенциалов в 1
Вольт
✗
Международные обозначения:
eV = эВ
J = Дж
Большие и малые энергии
eV, keV, MeV... ZeV
Необходимы другие единицы энергии
1 000 eV
= 1 keV
1 000 000 eV
= 1 MeV
1 000 000 000 eV
= 1 GeV
1 000 000 000 000 eV = 1 TeV
…
1018 eV
= 1 EeV
1021 eV
= 1 ZeV
Большие и малые энергии
Масштабы энергии частиц в природе
–
0,03 eV
●
–
0,67 eV
●
–
●
Типичные энергии электрона “Северного Сияния”
Энергия Рентгеновского излучания у дантиста
1 - 10 MeV
●
–
Энергия, необходимая протону или нейтрону, чтобы избежать
земного притяжения
1000 – 15 000 eV , 200 000 eV
●
–
Энергия молекулы кислорода или азота в воздухе
Энергия частиц, излучаемых в радио-активных распадах ядер
1-100 000 000 000 GeV
●
Область энергии, покрываемаемая космическими лучами
Большие и малые энергии
Энергия частиц в ускорителях (на примере ЦЕРН)
–
ISR : Intersecting Storage Rings
●
–
SPS : Super Proton Synchrotron
●
–
Протонный ускоритель до энергии 450 ГэВ.
LEP : Large Electron-Positron collider
●
–
Первый протон-протонный коллайдер с максимальной энергией
31 ГэВ (1971)
Пучки e+e- с энергией каждого вплоть до 200 ГэВ
LHC : Large Hadron Collider
●
В стадии построения. Будут достпны энергии до 14 000 ГэВ (14
ТэВ).
–
Протоны с энергией по
7 ТэВ, т.е с доступной
энергией в 14 ТэВ в
системе центра масс:
● Температура 1016
градусов
● Условия,
сущестовавшие во
Вселенной 10-12
секнд после
большого взрыва
–
Два «пакета» протонов
пересекаются друг с
другом 40 миллионов
раз в секунду и дают
порядка 20
взаимодействий в
секунду
● 800 миллионов
столкновений в
секунду!
В космических лучах зарегистрированы частицы с
энергией порядка и даже выше, чем
1020 эВ = 100 000 000 000 000 000 000 эВ
Это практически МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ в
16 Дж!
✔ Такие события ОЧЕНЬ редкие: 1 раз на 100 квадратных
километров в год
✔
История Космических Лучей
Научная предыстория
–
в XIX веке
●
Объединение электричесвта и магнетизма
●
Объяснение волновой природы света
Фарадей
●
–
Максвелл
Герц
Вещество: примитивная теория атомов (ядра и электроны
еще не известны)
В конце XIX века новые лучи
●
Катодные лучи, X лучи, радиоактивные лучи, космические
лучи
Лучи: свет или вещество?
–
Катодные лучи:
●
●
–
X Лучи:
●
●
–
Физики Крукс, Перрин и Томсон (Crookes, Perrin,
Thomson) изучали поведение катодных лучей в
присутсвтвии электрического поля
Дж. Дж. Томсон заключил, что эти лучи обладают
отрицательным электрическим зарядом и были
названы « электроны » (1898)
Открыты Рентгеном в1895
Природы их была неизвестна вплоть до Фон Лое (Von
Laue) (1912)
Радиоактивность:
●
●
Открыты Беккерелем в1896 (ураний)
1898-1900 Поль и Мария Кюри, Э.Резерфорд и П.
Виллард поняли, что существует несколько разных
типов лучей (α, β, γ)
What are Cosmic Rays?
Cosmic Rays (CR) are high-energy
particles of extraterrestrial origin
The astrophysical filed of activity
for particle and nuclear physics
“Classical” CR are nuclei or ionized atoms
ranging from a single proton up to an iron
nucleus and beyond, but being mostly
protons (~90%) and α particles (~9%).
However the above definition is much
wider and includes in fact all stable and
quasistable particles:
• neutrons,
• antiprotons & (maybe) antinuclei,
• hard gamma rays (λ < 10−12 cm),
• electrons & positrons,
• neutrinos & antineutrinos,
• esotheric particles (WIMPs,
magnetic monopoles, mini black
holes,...).
Secondary CR (produced by the primaries in the
Earth’s atmosphere) consist of essentially all
elementary particles and nulei (both stable and
unstable). The most important are
•
•
•
•
•
nucleons, nuclei & nucleides,
(hard) gammas,
mesons (π ±, π0,K ±, …, D ±,…),
charged leptons (e±, µ±, τ ±),
neutrinos & antineutrinos (νe, ν µ, ντ).
Courtesy by V.Naumov
Even very well isolated gold-leaf electroscopes
are discharged at a slow rate.
… observed by scientists before 1900
J.Elster, H. F.Geitel, C.Wilson investigated this
phenomenon and concluded that some unknown source
of ionizing radiation existed. Wilson even surmised that
the ionization might be
“…due to radiation from sources outside our
atmosphere, possibly radiation like Röntgen rays or like
cathode rays, but of enormously greater penetrating
power.”
A gold-leaf Bennet-type electroscope
(ca. 1880s) manufactured by Ducretet.
1900-1901
Soon after, two Canadian groups, Ernst Rutherford and H. Lester Cooke
(1903) at McGill University, and J. C. McLennan and E. F. Burton (1902) at the
University of Toronto showed that 5 cm of lead reduced this mysterious radiation
by 30%. An additional 5 t of pig lead failed to reduce the radiation further.
Courtesy by V.Naumov
1911–1913
Von Victor Franz Hess, studying at the Radium Inst.,
Vienna, decided to take the experiment a step further
and a few thousand meters higher. In 10 balloon
ascents (with open gondola) reaching altitudes of
17,500 ft (about 5.3 km), he found that radiation
slowly decreased with height (up to about 700 m) but
then at about 1.5 km it began to rise, until at 5 km it
was over twice the surface rate. Hess concluded:
"The results of the present observations
seem to be most readily explained by the
assumption that a radiation of very high
penetrating power enters our atmosphere
from above, and still produces in the
lowest layers a part of the ionization
observed in closed vessel."
Hess also found that the ionization was similar for day and nigh t time and did not
decrease on his flight during a solar eclipse on April 12, 1912; he concluded the sun
could not be the main source of the radiation.
Courtesy by V.Naumov
Victor Hess won
The Nobel Prize in Physics 1936
"for his discovery of cosmic radiation" .
Background of the slide:
H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) a next-generation system
of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes for the investigation of
cosmic gamma rays in the 100 GeV energy range.
Classic references:
• V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 12 (1911) 998.
• V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 13 (1912) 1084.
• V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 14 (1913) 610.
Courtesy by V.Naumov
История космических лучей
Природа космических лучей ?
–
1925 :
●
–
Роберт Милликан думал, что лучи Хесса это гамма лучи ⇒
«космические лучи »
1929 :
●
Бете и Колорстер (W. Bothe, W. Kohlörster), используя счетчик Гейгера
показали, что лучи Хесса - заряжены ⇒ вещесетво !!
но Нобевский лауреат Милликен не хотел принять это...
●
Скобельцин также показал, что лучи Хесса это вещество при помощи
пузырьковой камеры
История космических лучей
Пузырьковая камера Вилсона
●
●
●
Установлен градиент температуры сверху-вниз и термо-изолированный сосуд заполнен смесью
воздуха паров алкоголя
До того как скондинсироваться парам алкоголя на дне сосуда, пары пересеают зону
перенасыщения. В этой зоне ионы, рожденные заряженными частицами, пересекающими сосуд,
служат центрами конденсации и делают видимым трек частиц
Анализируя траектории (длина, плотность, профиль) можно идентифицировать тип частицы по ее
взаимодействию с веществом
История космических лучей
Открытие новых частиц:
●
1932 : позитрон e+
–
–
●
1936 : мюон µ
–
●
Предсказан Дираком в 1930
По следу КЛ
Напоминает электрон, но в 200 раз массивнее
1947 : пион π
Космические Лучи
космические лучи
Происхождение космических лучей
–
Астрофизические механизмы рождения частиц
●
Реакции слияния в центрах звезд
●
Сверх-новые
●
Столкновения галактик
Supernova 1987A – image
d’Hubble
●
Черные дыры (в центре галактик)
●
Активные галактические ядра
Столкновения галактик NGC 4036 и NGC 4039
EAS
1938: Pierre Victor Auger, Raymond Maze, Roland Maze
and Thérèse Grivet-Meyer positioned their particle
detectors high in the Alps. They obtained that two
detectors distanced many meters one from another
detected the arrival of particles at exactly the same
time.
Thus Pierre Auger and collaborators
discovered the extensive air showers
(EAS), the cascades of secondary
particles and nuclei produced by the
collision of primary high-energy
particles with air molecules. In this
way, changing the distance between
detectors, Auger could observe
particles with energies of about 1 PeV
(1015 eV) - ten million times higher
than reached so far. *)
________________________________________
*) Of course, this is the today’s estimaton.
Auger was not able to estimate the primary
energy.
Courtesy by V.Naumov
Up to now EAS are detected on
the Earth ground
Today the largest ground
detector Pierre Auger in
Argentina camps will cover
~3000 km2 surface and detect
both:
✗Charged
particles
✗Fluorescent light
Modulated by solar
activity
A Bird view of the CR spectrum
1 particle per m2×second
1st knee
1 particle per m2×year
2nd knee
1 particle per km2×year
Ankle
Foot (?)
Fingers (?)
Courtesy by V.Naumov
2nd knee
GZK
~ 4×10 GeV
~ 5×1010 GeV
8
1st knee
~ 3×106 GeV
ankle
~ 5×109 GeV
Courtesy by V.Naumov
Hires is a fluorescent detector
AGASA is a charge track detector
A lower energy data suggests a dominance of the protons…
•The AGASA data seems to conflict to both Hires and GZK prediction.
•There is also a 2 times difference in the flux measurement between Hires and AGASA
at low energies!