Это случилось 100 лет назад!
advertisement
К столетию открытия космических лучей История открытия: 1912 - 1945 В 1912 году были сделаны два выдающихся открытия, изменившие наше мировоззрение 1. Открытие атомного ядра Э.Резерфордом 2. Открытие космических лучей В.Гессом Предыстория В 1785 году Ч.А.Кулон представил три доклада по электричеству и магнетизму Французской Королевской Академии Наук. В одном из них он описал свои эксперименты, показавшие, что изолированные наэлектизованные тела спонтанно разряжаются и что это явление не является следствием плохой изоляции. После специальных исследований Михаила Фарадея в 1835 году, Вильям Крукс в 1879 году показал, что скорость разряда уменьшается, когда уменьшается давление воздуха: таким образом, ионизация воздуха является непосредственной причиной разряда. Но что ионизирует воздух? Попытки ответить на этот вопрос проложили путь в начале 20 века к революционному научному открытию – космическим лучам. ЭЛЕКТРОСКОП Существуют две близкие разновидности приборов для обнаружения электрических зарядов: электроскоп или электрометр. Электроскоп состоит из металлического стержня, пропущенного через диэлектрическую пробку, и подвешенных к нему двух лепестков из металлической фольги. При прикосновении к стержню заряженным телом листочки оказываются одноименно заряженными и отклоняются друг от друга. В электрометре к металлическому стержню подсоединена металлическая стрелка, которая может свободно вращаться. При прикосновении к стержню заряженным телом стрелка получает заряд такого же знака и пытается оттолкнуться от одноименно заряженного стержня, указывая на измерительной шкале величину заряда. По величине угла расхождения лепестков электроскопа или по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине электрического заряда. После открытия спонтанной радиоактивности в конце 19 века и ученые обнаружили, что заряженный электроскоп быстро разряжается в присутствии радиоактивного материала. Таким образом, скорость разряда электроскопа могла быть использована, чтобы измерять уровень радиоактивности. Новая эра исследований физики разряда открылась, когда были открыты электрон и положительные ионы. После открытия α-,β-,γ-радиоактивности (?) Генри Беккерелем в 1896, было всеобщая вера, что атмосферное электричество – ионизация воздуха – вызывается только радиацией из радиоактивных элементов в земле или радиоактивных газов в воздухе, а также изотопов радона, которые они производят. Измерения скорости ионизации при увеличении высоты, выполненные в десятилетие 19001910 гг. указывали на ее уменьшение, что могло быть объяснено, как поглощение ионизирующей радиации слоем воздуха между прибором и поверхностью. В течение первого 10-летия 20 века результаты ионизационных измерений приходили от нескольких исследователей в Европе и Северной Америки. Около 1900 года Чарлз Вильсон из Шотландии и независимо два школьных учителя и друга, Юлиус Элстер и Ганс Гейтель, улучшили технику тщательной изоляции электроскопа в замкнутом сосуде и тем самым повысили его чувствительность. 1900 г. Школьные учителя и друзья, Юлиус Элстер и Ганс Гейтель, улучшили технику изоляции электроскопа в замкнутом сосуде. С усовершенствованным электроскопом они могли проводить измерения скорости спонтанного разряда и пришли к заключению, что источники ионизации находятся вне сосуда и что часть этой радиоактивности является сильно проникающей: она производит ионизацию воздуха в электроскопе защищенном металлическими стенками толщиной несколько см. Этот вывод был подтвержден в 1902 г. количественными измерениями Эрнеста Резерфорда и Генри Кука, а также Джоном Макленном и Ф.Буртоном, которые погрузили электроскоп в бак с водой. Возник очевидный вопрос о природе этой радиации: имеет ли она земное или внеземное происхождение. Простейшей гипотезой было, что это связано с радиоактивными элементами в земной коре, о существовании которых было известно после исследований естественной радиоактивности Марией и Пьером Кюри. Земная природа наблюдаемой радиации была общей точкой зрения, однако оказалось трудным получить экспериментальное доказательство. В 1901 г. Вильсон сделал фантастическое предположение о внеземной природе наблюдаемой радиации, имеющую исключительно высокую проникающую силу. (патент Nikola Tesla) Однако сам Вильсон провел исследования в туннелях и не обнаружил уменьшения скорости ионизации, что было против его гипотезы внеземного происхождения радиации и она была забыта на многие годы. В обзоре Карла Курца была просуммирована ситуация на 1909 год. Наблюдаемый спонтанный разряд электроскопа совместим с гипотезами, что фоновое излучение существует даже в изолированном объеме и что это излучение имеет проникающую компоненту. Есть три возможных источника проникающего излучения: внеземное излучение (вероятно от Солнца); радиоактивность земной коры; радиоактивность атмосферы. Из измерений ионизации в нижних слоях атмосферы Курц делал вывод, что неземное происхождение радиации маловероятно и что почти вся радиация возникает из-за радиоактивности земной коры. Были проделаны расчеты уменьшения радиации с высотой, но было нелегко их проверить из-за трудности транспортировки инструмента и его недостаточной точности. Были предприняты большие усилия создать транспортабельный электроскоп в венской метеорологической группе – тогдашнем лидере по измерениям ионизации в атмосфере. Однако окончательная реализация такого инструмента была сделана изуитским священником и ученым Теодором Вульфом. В электроскопе Вульфа два металлических лепестка были заменены стеклянными проволочками, напыленными металлом и растянутыми пружинкой также из стекла. Показания электрометра считывались с помощью микроскопа. В 1909 году Теодор Вульф создал этот электрометр – прибор для измерения скорости образования ионов внутри герметически закрытого контейнера – и использовал его, чтобы измерить уровень радиации наверху Эйфелевой башни (300 м над землей) в Париже по сравнению с радиацией у ее основания. Left: Theodor Wulf pictured around 1910. Right: Wulf’s electroscope, from his own drawing. Предполагая гипотезу земного происхождения большей части ионизации, он ожидал увидеть уменьшение ионизации наверху башни по сравнению с уровнем земли. Однако уменьшение скорости ионизации оказалось слишком малым для подтверждения этой гипотезы. Наоборот, величина радиации на высоте 300 м была всего лишь наполовину от ее величины на земле, в то время как ожидалось, если она идет от Земли, то должно быть всего лишь несколько процентов. Однако его статья, хотя и опубликованная в солидном журнале Physikalische Zeitschrift не была широко воспринята. Наблюдения Вульфа были загадочны и требовали объяснения. Одним из возможных путей решения этой загадки было проведение измерений на высотах более 300 м – высоте Эйфелевой башни. К тому времени баллонные эксперименты использовались более 100 лет для исследования атмосферного электричества и было очевидно, что именно они могут дать ответ на проблему происхождения проникающего излучения. Карл Бергвитц – бывший ученик Элстера и Гейтеля – поднялся в 1909 г. на аэростате и на высоте 1300 м обнаружил, что величина ионизации уменьшилась на 24% по сравнению с величиной на земле. Однако его результат был подвергнут сомнениям ввиду того, что его электрометр сломался в течение полета. Позднее Бергвитц работал с электрометрами на земле и на высоте 80 м и не наблюдал существенного уменьшения ионизации. Примерно в это же время такие же результаты были получены в измерениях, проведенных Алфредом Гокелем из Фрайбурга (Швейцария). Он поднялся до высоты 3000 м. Именно он впервые ввел термин "kosmische Strahlung” или "cosmic radiation”. Общая интерпретация состояла в том, что радиоактивность исходит в основном с поверхности Земли, хотя баллонные результаты оставались загадочными. Метеоролог Франц Линке сделал 12 баллонных полетов в 19001903 гг. в течение выполнения своих исследований в берлинском университете и поднимался до высоты 5500 м с электроскопами конструкции Элстера и Гейтеля. Тезисы его диссертации не были опубликованы, он опубликованный отчет заключался словами: «… на высоте 1000 м ионизация меньше, чем на поверхности, между 1 и 3 км имеет то же самое значение и становится больше в 4 раза на высоте 5500 м. … Ошибки измерений позволяют сделать только заключение, что причина ионизации должна быть найдена прежде всего в Земле.» Никто позднее не ссылался на Линке, повидимому потому, что он сделал правильные измерения, но пришел к неправильному выводу. В 1911 году Доменико Пачини одновременно измеряя скорости ионизации над озером, над морем и на глубине 3 метра пришел к выводу, что из уменьшения радиоактивности под водой следует, что определенная часть ионизации должна быть обусловлена другим источником, чем только радиоактивность Земли. Domenico Pacini and the origin of cosmic rays. CERN Courier, Jul 18, 2012 Абстракт. Физики с неохотой отказались от гипотезы земного происхождения мистического проникающего излучения даже тогда, когда эксперименты ясно показали независимость излучения от радиоактивности земной коры. Domenico Pacini making a measurement in 1910. Подводные измерения Доменико Пачини, ассистент метеоролога в Риме, с 1906 по 1910 гг. проводил систематические исследования ионизации в горах, на побережье и на море. Его руководителем был Петр Блазерн из Австрии, изучавший физику в венском университете. В Риме использовались современные инструменты, имевшие точность 1/3 Вольта. В 1910 году Пачини поместил один электроскоп на поверхности земли, а другой - на лодке на расстоянии нескольких километров от берега и сделал одновременные измерения. Он обнаружил намек (hint) на корреляцию показаний приборов (ШАЛ?) и заключил, что с гипотезой происхождения проникающего излучения из почвы невозможно объяснить полученные результаты. В том же году он пытался измерить возможное увеличение радиоактивности во время прохождения кометы Галлея, но ничего не обнаружил. Позднее Пачини развил экспериментальную методику подводных измерений и в июне 1911 г. сравнил скорость ионизации на поверхности моря и на глубине 3 метров на расстоянии 300 м от берега. Он повторил эти измерения в октябре на озере Брассиано в Италии. Пачини опубликовал результаты своих измерений и их интерпретацию в заметке «Проникающая радиация на поверхности и в воде» в итальянском журнале Nuovo Cimento в феврале 1912 г. Пачини писал: «Наблюдения, проведенные на море в течение 1910 г. позволяют заключить, что существенная часть всепроникающей радиации, которая обнаруживается в воздухе, имеет происхождение, которое не зависит от прямого воздействия вещества в верхних слоях земной коры… Чтобы это доказать, аппарат был закрыт в медный ящик, так чтобы его можно было погрузить в глубину… Измерения были выполнены с инструментом на поверхности и на глубине 3 м.» Пачини измерял скорость разряда электроскопа семь раз в течении 3-х часов. Ионизация под водой была на 20% меньше, чем на поверхности, что согласуется с поглощением водой радиации, идущей сверху, с достоверностью больше чем 4 σ. Он писал: «С коэффициентом поглощения воды λ = 0.034 легко получить из известного уравнения I/I0 = exp(–d/λ), где d есть толщина слоя пройденного вещества, что по условиям эксперимента активностью морского дна и поверхности пренебрежимо малы. Объяснением, по-видимому, будет, что, из-за поглощения в воде и минимального количества радиоактивного материала в море, поглощение радиации, приходящей снаружи, действительно имеет место, когда аппарат погружен.» Пачини заключает: « Из полученных результатов следует, что значительная причина ионизации существует в атмосфере, возникающей от проникающей радиации и независимой от прямого действия радиоактивных веществ в коре Земли.» Вопреки выводам Пачини и загадочным результатам Вульфа и Гокеля о зависимости радиоактивности от высоты, физики неохотно расстались с гипотезой о земной природе мистической проникающей радиации. Ситуация разрешилась в 1911-1912 гг. после серии балонных полетов Виктора Гесса, который установил внеземное происхождение большей части радиации, вызывающей наблюдаемую ионизацию. Однако В.Гесс был удостоин Нобелевской премии за открытие космического излучения только в 1936 г. К тому времени важность этой «естественной лаборатории» стала очевидной и он поделил эту премию с Карлом Андерсоном, который открыл позитрон в космическом излучении всего за 4 года до этого. Пачини умер в 1934 г. – его вклад был почти забыт по совокупности исторических и политических обстоятельств. Эксперименты Виктора Гесса. В 1911 году Гесс совершил первые 2 полета с целью исследования зависимости проникающего излучения от высоты, приводящего к разряду электроскопа. Он достиг высоты около 1100 м и не обнаружил существенного изменения в интенсивности радиации по сравнению с измерениями на поверхности Земли. Однако это указывало на существование какого-то источника радиации в дополнение к γ-лучам(?), возникающим при радиактивных распадах в земной коре. Первые шесть полетов 1912 г. начинались с базы вблизи Вены, начиная с 17 апреля, когда происходило частичное солнечное затмение. Достигнув высоты 2750 м, Гесс не обнаружил уменьшения проникающей радиации во время затмения, напротив, он получил указание на ее увеличение на высоте около 2000 м. Однако в последующих полетах он пришел к выводу, что недостаточная подъемная сила местного газа водорода (?), а также местные метеорологические условия не позволяют его аэростату достичь большей высоты. В августе 1912 г. Виктор Гесс совершил исторический полет на аэростате, который открыл новое окно на материю во вселенной. Victor Hess Hess lands after his balloon flight in 1912 in the basket of his balloon, sometime in 1912 Поэтому в полете 7 августа он стартовал от города Aussig [сейчас это Ústí nad Labem in the Czech Republic], несколько сот километров севернее Вены. Хотя кучевые облака появились в течение этого дня, но баллон с Гессом и электроскопами не сближался с ними, имелся только тонкий слой облаков на высоте около 6000 м. Результаты этого полета были более определенные: «в обоих детекторах скорость образования ионов γ-лучами (??) в наивысшей точке полета была на 22-24 (пар ионов/см3сек) выше, чем на поверхности Земли». Прежде чем доложить эти результаты, Гесс провел комбинированный анализ всех данных по всем своим полетам: на высотах выше 2000 м измеренный уровень радиации начинал расти. «Между 3000 и 4000 м количество ионов возросло на 4 пары, и на высотах от 4000 до 5200 м от 16 до 18 пар ионов в обоих детекторах». Перед 1-й мировой войной Австро-Венгрия была одной из европейских супердержав. Для полета Гесса были предоставлены аэростаты австрийской армии объемом около 2000 кбм. Полет 7 августа 1912 г. был последним из серии семи балонных полетов Виктора Гесса, которые он совершил в течение 1912 года на грант от организации, которая впоследствии превратилась в Австрийскую Академию Наук в г.Вене. Наб. ионизация Использовалось 3 электроскопа Вульфа. Электроскоп с номером 3 был открыт на воздух. После коррекции на уменьшение давления (?) этот электроскоп показывал 2-кратное увеличение ионизации на высоте 4000 м по сравнению с ионизацией не поверхности Земли. Это было свидетельством того, радиация (Hohenstrahlung) попадает в атмосферу из внешнего пространства. Выводы Гесса: «Результаты представленных наблюдений, повидимому, наиболее легко могут быть объяснены в предположении, что излучение с очень высокой проникающей силой входит в нашу атмосферу сверху… Так как он не обнаружил уменьшения излучения ни ночью(?), ни во время солнечного затмения, то трудно рассматривать Солнце в качестве источника этого излучения." It was not until 1936 that Hess was rewarded with the Nobel Prize for the discovery of cosmic radiation. By then the importance of this "natural laboratory" was clear, and he shared the prize with Carl Anderson, who had discovered the positron in cosmic radiation four years earlier. The Hess balloon flight took place on 07 August 1912, providing the first direct evidence of cosmic radiation. By sheer coincidence, exactly 100 years later on 07 August 2012, the Mars Science Laboratory rover used its Radiation Assessment Detector (RAD) instrument to begin measuring the radiation levels on another planet for the first time Виктор Гесс:1883 - 1964 Increase of ionization with altitude as measured by Hess in 1912 (left) and by Kolhörster (right) in 1913-1914. Вывод: В 1912 году В.Гесс с тремя электрометрами Вулфа повышенной точности поднялся на высоту 5300 м в свободном полете. Он обнаружил, что скорость ионизации увеличилась примерно в 4 раза по сравнению с ионизацией на поверхности. Гесс исключил также Солнце как источник радиации, выполнив подъем баллона во время частичного солнечного затмения. Несмотря на затмение Луной видимого солнечного излучения, Гесс продолжал измерять увеличение радиации с ростом высоты. Его заключение: полученные результаты наиболее естественно можно объяснить, предположив что радиация очень большой проникающей силы входит в атмосферу Земли извне. В 1913-1914 гг. Вернер Кольхорстер подтвердил полученные ранее результаты В.Гесса, измерив рост скорости ионизации до высоты 9 км. Between 1911 and 1913, Hess undertook the work that won him the Nobel Prize in Physics in 1936. For many years, scientists had been puzzled by the levels of ionizing radiation measured in the atmosphere. The assumption at the time was that the radiation would decrease as the distance from the earth, the source of the radiation, increased. The electroscopes previously used gave an approximate measurement of the radiation, but indicated that higher in the atmosphere the level of radiation may actually be more than that on the ground. Hess approached this mystery first by greatly increasing the precision of the measuring equipment, and then by personally taking the equipment aloft in a balloon. He systematically measured the radiation at altitudes up to 5.3 km during 1911-12. The daring flights were made both at day and during the night, at significant risk to himself.[2] The result of Hess's meticulous work was published in the Proceedings of the Viennese Academy of Sciences, and showed the level of radiation decreased up to an altitude of about 1 km, but above that the level increased considerably, with the radiation detected at 5 km about twice that at sea level.[6] His conclusion was that there was radiation penetrating the atmosphere from outer space.Robert Andrews Millikan in 1925 gave the radiation the name "cosmic rays". Hess's discovery opened the door to many new discoveries in nuclear physics.[2] Вклад советских физиков в ранние исследования космических лучей Скобельцын Дмитрий Владимирович Д.В. Скобельцын первый использовал идею наблюдения комптоновских электронов в камере Вильсона (?). Изучая в 1927 году комптоновский эффект(?), он провел наблюдения треков релятивистских частиц из атмосферы. Было определено, что импульс этих заряженных частиц превышает 20 МэВ/с, и они, таким образом, не могут являться продуктами распада радиоактивных элементов(?). Д.В. Скобельцын показал, что такие частицы часто появляются в камере Вильсона группами по несколько частиц. Это стало первым наблюдением ливней космических лучей. In 1923, while using a cloud chamber to try to detect gamma radiation in cosmic rays, Skobeltsyn detected particles that acted like electrons but curved in the opposite direction in an applied magnetic field. He was puzzled by these results, and they remained unexplained until the discovery of the positron in 1931. Sergei Nikolaevich Vernov С.Н. Вернов начал изучать космические лучи в 1931 г. В то время о космических лучах было известно очень мало и не было практически ничего не известно о первичных космических лучах являются ли они заряженными частицами, если да, то каков знак их заряда, их масса и т.д. Опыты, выполненные Д.В. Скобельцыным на камере Вильсона в магнитном поле показали, что на уровне моря космические лучи представляют собой потоки заряженных частиц большой энергии. Разработка С.Н. Верновым нового метода стратосферных исследований с помощью шаров-радиозондов заложила принципиально новую экспериментальную базу для широкого и глубокого цикла исследований, который был начат в 1936 г. и продолжен в послевоенный период. Эксперимент С.Н. Вернова, выполненный им одновременно с Р. Милликеном, показал что поток энергии космических лучей на экваторе оказался в 4 раза меньше, чем в высоких широтах(Задание 1). Вследствие этого, по крайней мере 75% первичных частиц не пропускаются магнитным полем Земли в район экватора, и следовательно, являются заряженными. Д.В. Скобельцын – директор ФИАН и НИИЯФ МГУ С.Н. Вернов – зам. директора НИИЯФ МГУ Советский физик Сергей Вернов был первым, кто использовал радиозонды для исследования космических лучей с приборами на высотных баллонах. 1 апреля 1935 года он выполнил измерения первичного излучения на высоте 13.6 км, используя пару счетчиков Гейгера в схеме совпвдений, чтобы подавить измерения вторичных частиц от ливней. Идентификация космических частиц В 20-е годы термин «космические лучи» был введен в обращение Робертом Милликеном, который проводил измерения ионизации от космических лучей на больших глубинах и больших высотах в разных местах земного шара. Он полагал, что его измерения доказывают, что первичные космические лучи являются γ-лучами, т.е. энергичными фотонами, и предложил теорию их рождения в межзвездной среде как by-product слияния атомов водорода в более тяжелые атомы. Но в 1927 г Дж.Клей обнаружил вариацию космических лучей в зависимости от широты, которая была подтверждена в других экспериментах. Это указывало, что первичные космические лучи отклоняются геомагнитным полем и должны быть заряженными, а не фотонами. В 1929 г. Боте и Колхерстер обнаружили, что заряженные космические частицы могут пройти 4.1 см золота. Заряженные частицы с такой высокой энергией невозможно образовать фотонами в Милликеновском процессе межзвездного слияния. В 1930 г Бруно Росси предсказал различие между интенсивностями космических лучей, приходящих с востока и запада, которая зависит от заряда первичных частиц – так называемый «eastwest effect»(задание 2). В 3-х независимых экспериментах (T. H. Johnson (1934); L. Alvarez & A. H. Compton, (1934); B. Rossi, (1934)] было показано, что на самом деле интенсивность больше с запада и, значит, большая часть первичных частиц являются положительными. В течение многих исследований с 1930 по 1945 гг. было показано, что первичные космические лучи являются в основном протонами, а вторичная радиация, возникающая в атмосфере является по большей части электронами, фотонами и мюонами. В 1948 г. наблюдения с ядерной эмульсией, поднятой баллонами почти на границу атмосферы (P. Freier (1948), H. L. Bradt & B. Peters, (1948)), показали, что приблизительно 10% первичных частиц являются ядрами гелия (α-частицами) и 1% являются ядрами более тяжелых элементов, таких как углерод, железо и свинец. Широкие атмосферные ливни. Во время испытаний своей аппаратуры для измерения east-west эффекта Росси заметил, что частота одновременного срабатывания двух далеко удаленных счетчиков Гейгера(?) была выше, чем ожидалось при их случайном и независимом срабатывании. В своем отчете [B. Rossi, (1934)] он написал "...повидимому на регистрирующую аппаратуру падает очень широкий ливень частиц, которые вызывают одновременное срабатывание счетчиков, находящихся на большом расстоянии друг от друга." В 1937 г. Пьер Оже, не зная об отчете Росси, обнаружил то же самое явление и детально его проанализировал. Он пришел к выводу, что первичная частица высокой энергии взаимодействует с ядром атома воздуха высоко в атмосфере, вызывая каскад вторичных взаимодействий, которые в конечном итоге дают ливень электронов и фотонов, достигающий уровня Земли. Homi J. Bhabha derived an expression for the probability of scattering positrons by electrons, a process now known as Bhabha scattering. His classic paper, jointly with Walter Heitler, published in 1937 described how primary cosmic rays from space interact with the upper atmosphere to produce particles observed at the ground level. Bhabha and Heitler explained the cosmic ray shower formation by the cascade production of gamma rays and positive and negative electron pairs Участие ОИЯИ в исследованиях космического излучения Galactic: supernova remnants? NUCLEON ТUS extragalactic: gamma ray bursts? Общий вид КА «Ресурс-П» №2 с КНА «Нуклон» Исследование КЛ в области 100 ГэВ – 1000 ТэВ The TUS detector at the “Mikhail Lomonosov” КА МВЛ-300 satellite Исследование КЛ в области 10 ЕeV – 1 ZeV Заключение Хотя в последующих после открытия космических лучей 100-летних исследованиях было многое открыто о их составе и энергии, точная локализация их источника остается до сих пор загадкой, которая вдохновляет на проведение новых смелых исследований in astroparticle physics.
