Радіовипромінювання каскадних злив і детектування космічних променів надвисоких енергій

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

01.04.16 фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

РАДІОВИПРОМІНЮВАННЯ КАСКАДНИХ ЗЛИВ І ДЕТЕКТУВАННЯ КОСМІЧНИХ ПРОМЕНІВ НАДВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ

Виконав Філоненко Анатолій Дмитрович

Одеса - 2006

АНОТАЦІЯ

Філоненко А.Д. Радіовипромінювання каскадних злив і детектування космічних променів надвисоких енергій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фiзико-математичних наук за спеціальністю 01.04.16 фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій, Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

В представленій роботі проведено теоретичний аналіз компонент радіовипромінювання каскадної зливи від космічної частинки надвисокої енергії. Цими компонентами є випромінювання струму -електронів, перехідне випромінювання надлишкових електронів, перехідне випромінювання поляризованого каскадного диска в магнітному полi Землі, випромінювання iонiзацiйних електронів зливи в електростатичному полi атмосферної електрики. Знайдені умови квазiкогерентного випромінювання, просторово-частотнi діаграми випромінювання, iнтенсивностi потоку електромагнітних хвиль для радіочастотного діапазону. Розроблена принципова схема радіодетектора, розміщеного на штучних супутниках Місяця, за допомогою якого визначається не лише енергія, але і напрямок руху частинки. В роботі розглянутi й iншi застосування виконаного аналізу, такі як радiоастрономiчний метод реєстрації частинок, а також запропоновано принципові схеми установок для детектування широких атмосферних злив з енергією понад еВ.

Ключові слова: широка атмосферна злива, космічні промені надвисокої енергії, радіовипромінювання, радіодетектування, випромінювання.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

випромінювання низькочастотний детектування енергія

Реєстрація космічних променів надвисоких енергій пов'язана з найбільш гострими проблемами сучасної фізики елементарних частинок, астрофізики високих енергій, нейтринної астрономії та гамма-астрономії. Більшість з них може бути розв'язана лише за допомогою детекторів, робоча площа яких на декілька порядків перевищуватиме площу нині існуючих традиційних детекторів, і це визначає актуальність дисертаційної роботи, пов'язаної з розробкою нового нетрадиційного методу реєстрації космічних частинок.

Річ у тому, що традиційні методи детектування космічних променів за допомогою сцинтиляційних та іонізаційних лічильників мають цілком природну енергетичну "стелю" порядку . Робоча площа цих детекторів не перевищує квадратних кілометрів. Навіть детектор “П'єр Оже” (проект США, що триває вже близько десяти років) із площеюбуде мати верхню межу, меншу від В.

Актуальність теми. Розробка принципових основ детектора нового покоління для енергій є для астрофізики високих енергій однією з найактуальніших задач нашого часу. Оцінки і розрахунки показують, що в основі такого детектора мусить закладатися явище радіовипромінювання каскадної зливи, викликаної частинкою надвисокої енергії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт “Дослідження космічних променів супервисоких енергій за допомогою радіотелескопа” (№ державної реєстрації №0197U008352), “Теоретичні та експериментальні дослідження можливості детектування космічних променів надвисоких енергій і частинок темної матерії у відкритому космосі радіо і акустичними методами” (№ державної реєстрації №0100U006294), “Розробка методу радіодетектування космічних променів надвисокої енергії за допомогою штучного супутника Місяця” (№ державної реєстрації №0103U000417) відповідно до програми науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України "Взаємодія електромагнітного випромінювання і потоків заряджених частинок з речовиною" та відповідно до Державної програми проведення досліджень в Антарктиці на 2002-2010 рр., розд. 4. Ядерно-фізичні методи дослідження Землі та атмосфери (постанова Кабінету Міністрів України від 13.09.01 № 422-р.).

При виконанні цих науково-дослідних робіт роль автора дисертації полягала в теоретичному дослідженні механізмів радіовипромінювання широкої атмосферної зливи, методики вимірювання електромагнітного поля, розробці схеми експериментальної установки, одержанні чисельних оцінок і висновків.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є з'ясування механізмів радіовипромінювання атмосферних злив в низькочастотному діапазоні хвиль, визначення основних радіофізичних характеристик випромінювання каскадної зливи, викликаної космічною частинкою надвисокої енергії, та розробка радіофізичних методів детектування космічних променів з енергією.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

проаналізувати результати експериментального дослідження механізмів випромінювання широкої атмосферної зливи в низькочастотному (0,1-5 МГц) та високочастотному (10-300 МГц) діапазонах;

знайти причини експериментально виявленого значного відхилення інтенсивності низькочастотного випромінювання від теоретичних розрахунків;

знайти механізми, відповідальні за радіоемісію каскадної зливи для частот 0,1-5 МГц;

розробити фізико-математичні моделі радіовипромінювання каскадної зливи в газоподібних та в густих середовищах для низькочастотного діапазону довжин хвиль;

розрахувати поле випромінювання і просторові діаграми розподілу інтенсивності для низькочастотного діапазону довжин хвиль;

теоретично обґрунтувати можливість застосування низькочастотного випромінювання для детектування космічних частинок надвисокої енергії ;

теоретично обґрунтувати можливість реєстрації радіовипромінювання каскадної зливи на поверхні Місяця від космічної частинки з енергією понад за допомогою антени радіотелескопа УТР-2;

теоретично обґрунтувати можливість реєстрації радіовипромінювання каскадної зливи в льодовому шарі Антарктиди;

теоретично обґрунтувати метод детектування космічних частинок надвисокої енергії () за допомогою штучних супутників на навколомісячною орбіті, розробити таку схему детектора, яка би вимірювала не лише енергію частинки, а також і її напрямок руху.

Об'єкт дослідження космічне випромінювання надвисокої енергії.

Предмет дослідження радіовипромінювання каскадних злив, викликаних частинками високої енергії.

Методи дослідження

метод дипольного випромінювання для розрахунку інтенсивності електромагнітного потоку, викликаного каскадною зливою від космічних частинок надвисокої енергії; метод спектрального аналізу для розрахунків спектральної напруженості поля, та спектральної інтенсивності; радіоастрономічний метод детектування космічних частинок для обґрунтування можливості радіоспостереження випромінювання каскадної зливи на поверхні Місяця за допомогою радіотелескопа УТР-2; дифракційний метод Фока для обчислювання поля перехідного радіовипромінювання за горизонтом; метод розв'язання рівняння Даламбера у вигляді запізнілих потенціалів для розрахунку поля випромінювання магнітогальмівного механізму; спеціальна теорія відносності для розрахунку радіуса кривини траєкторії каскадного диску, який рухається в атмосфері Землі з лоренц-фактором ~100.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Виявлено і з'ясовано механізм радіовипромінювання струму -електронів каскадної зливи, викликаної частинками високої енергії. Показано, що діапазон когерентного випромінювання починається з довжин хвиль, перевищуючих подовжній розмір каскаду, і максимум просторової діаграми цього випромінювання лежить у площині, перпендикулярній вісі каскаду, і має подовжню поляризацію. Теоретично показано, що цей механізм випромінювання для дуже низьких частот (30100 кГц) може бути причиною експериментально виявленого раніше явища підвищення спектральної інтенсивності випромінювання широкої атмосферної зливи на низьких частотах.

2. Виявлено і з'ясовано раніше невідомий механізм низькочастотного когерентного магнітогальмівного випромінювання широкої атмосферної зливи, який обумовлено викривленням траєкторії заряджених частинок зливи в магнітному полі Землі. Показано, що діапазон когерентності лежить в області довжин хвиль, що перевищують подовжні розміри зливи.

3. Виявлено і з'ясовано раніше невідомий механізм перехідного випромінювання поляризованого диску ШАЗ в магнітному полі Землі, який може бути домінуючим механізмом в діапазоні частот 0,5-1,5 МГц. Показано, що максимум когерентного випромінювання лежить у діапазоні довжин хвиль, близьких до поперечних розмірів зливи. Знайдено, що поляризація випромінювання подовжня та отримано вираз для інтенсивності випромінювання.

4. Виявлено невідомий раніше механізм когерентного радіовипромінювання, викликаного скиданням механічної напруги сейсмічно активного (метастабільного) шару Землі при проходженні через нього пучка нейтрино високої енергії.

5. Вперше отримано характеристики радіовипромінювання широкої атмосферної зливи, викликаної прискоренням іонізаційних електронів у полі атмосферної електрики, а також знайдено поляризацію та інтенсивність випромінювання з максимумом в околі декількох мегагерц.

6. Вперше виявлено інтенсивність перехідного випромінювання надлишкових електронів широкої атмосферної зливи і отримано просторово-частотні характеристики випромінювання в залежності від нахилу зливи і частотного діапазону.

7. Виявлено і з'ясовано невідомий раніше механізм радіовипромінювання, викликаного розривом поперечного струму електронів (позитронів) в атмосферній зливі. Знайдена просторово-частотна діаграма та поляризація поля випромінювання. Розраховано абсолютну спектральну інтенсивність і обґрунтовано можливість використання цього механізму для реєстрації космічних частинок надвисокої енергії.

8. Вперше розроблено фізико-технічну концепцію двох радіодетекторів широких атмосферних злив з енергією порядку , заснованих на можливості реєстрації перехідного випромінювання поляризованого в магнітному полі Землі каскадного диску широкої атмосферної зливи і високочастотного компонента радіовипромінювання, викликаного електронами зливи.

9. Вперше обґрунтовано і запропоновано радіоастрономічний метод реєстрації космічних частинок надвисокої енергії в декаметровому діапазоні довжин хвиль і теоретично показано, що у випадку використання антени радіотелескопа (наприклад, УТР-2, м. Харків) амплітуда корисного сигналу буде на порядок вище середньоквадратичної амплітуди космічних радіошумів. Запропоновано спосіб дослідження характеристик випромінювання - електронного компоненту каскадної зливи за допомогою цього методу.

10. Вперше теоретично обґрунтовано і розроблено новий метод детектування частинок надвисокої енергії за допомогою реєстрації радіочастотного випромінювання, відбитого від верхніх шарів іоносфери.

11. Розроблено принципово новий метод радіодетектування космічних променів за допомогою штучного супутника Місяця для діапазону надвисоких енергій , який дозволяє однозначно визначати не лише енергію частинки, але і напрямок її руху.

Практичне значення отриманих результатів. На даний час для зазначеного вище діапазону енергій не існує ніяких альтернативних проектів детектора космічних променів. Результати, отримані в даній роботі, можуть бути відразу використані для розробки реального детектора космічних частинок для діапазону енергій , або для проведення експериментальних робіт, пов'язаних з уточненням деяких теоретичних оцінок. Крім цього, результати, отримані в роботі, можуть бути використані також і для широкого кола задач, пов'язаних з радіодетектуванням космічних променів на поверхні Землі. Розроблений метод був застосований для вимірювання потоку космічних частинок надвисокої енергії на українській антарктичній станції “Академік Вернадський” під час 10 сезонної експедиції в 2005 р. В цьому експерименті були безпосередньо використані методи розрахунків інтенсивності перехідного випромінювання каскадної зливи у магнітному полі Землі, та метод розрахунку інтенсивності випромінювання -електронів. Крім цього, для вимірювання потоку космічних частинок була використана схема експериментальної установки, запропонованої в дисертації.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертації, отримані особисто автором, а саме:

1. Досліджено механізм радіовипромінювання струму -електронів каскадної зливи, викликаної частинками високої енергії. Отримано вирази для спектральної інтенсивності випромінювання струму -електронів. З'ясовано просторово-частотну діаграму випромінювання.

2. Досліджено механізм низькочастотного когерентного магнітогальмівного випромінювання широкої атмосферної зливи. Визначено просторову діаграму випромінювання, поляризацію й спектральну інтенсивність випромінювання.

3. Теоретично обґрунтовано і досліджено невідомий раніше механізм перехідного випромінювання поляризованого диску ШАЗ в магнітному полі Землі та отримано вираз для інтенсивності випромінювання.

4. Досліджено невідомий раніше механізм когерентного радіовипромінювання, викликаного скиданням механічної напруги сейсмічно активного (метастабільного) шару Землі при проходженні через нього пучка нейтрино високої енергії. Проведено порівняльні оцінки чутливості акустичного детектору і радіодетектору.

5. Отримано невідомі раніше характеристики радіовипромінювання широкої атмосферної зливи, викликаної прискоренням іонізаційних електронів у полі атмосферної електрики. Знайдено поляризацію, інтенсивність та частотно-просторові діаграми випромінювання.

6. Виявлено спрямованість та інтенсивність перехідного випромінювання надлишкових електронів широкої атмосферної зливи. Зроблено розрахунок інтенсивності і знайдені просторово-частотні характеристики випромінювання в залежності від нахилу зливи і частотного діапазону.

7. Розроблено принципові схеми проектів двох радіодетекторів широких атмосферних злив з енергією понад . Для першого з них обґрунтовано можливість реєстрації перехідного випромінювання поляризованого в магнітному полі Землі каскадного диску широкої атмосферної зливи. Основою другого проекту детектора майже горизонтальних злив (7585) є реєстрація високочастотного компонента радіовипромінювання, викликаного електронами зливи.

8. Виявлено невідомий раніше механізм радіовипромінювання, викликаного розривом поперечного струму електронів (позитронів) атмосферної зливи. Знайдена просторово-частотна діаграма та поляризація поля випромінювання. Розрахована абсолютна спектральна інтенсивність і доведено можливість використання цього механізму для реєстрації космічних частинок надвисокої енергії.

9. Обґрунтовано радіоастрономічний метод реєстрації космічних частинок надвисокої енергії в декаметровому діапазоні довжин хвиль. Запропоновано експериментальну установку для вимірювання амплітуди імпульсних сигналів.

10. Показано можливість детектування частинок надвисокої енергії за допомогою реєстрації радіочастотного випромінювання, відбитого від іоносфери. Знайдено напруженість поля випромінювання у місці реєстрації.

11. Розроблено принципово новий метод радіодетектування космічних променів за допомогою штучного супутника Місяця для діапазону надвисоких енергій 10²¹-10²³ еВ. Розроблено метод визначення енергії частинки і напрямок її руху.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації докладені і обговорені на конференціях з космічних променів (Алма-Ата, 1988; Дагомис, 1990); Міжнародних конференціях з космічних променів (Москва, 1994; Москва, 1996); 25-26 Всеросійських конференціях з космічних променів (Москва, 1998; Дубна, 2000); 18-й Європейському симпозіумі з космічних променів (Москва, 2002); Міжнародній конференції „Аномальные эффекты в физике высоких плотностей энергии” (Ялта, 2002); Міжнародній конференції „8-ые Забабахинские чтения”, (Снежинск, 2005).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло обґрунтовано доцільність, актуальність теми і вибір об'єктів досліджень. Сформульована мета досліджень, відображена новизна отриманих результатів та їх практична цінність. Сформульовані положення, що виносяться автором на захист.

В першому розділі дисертації розглянуті відомі механізми радіовипромінювання каскадних злив, викликаних космічними частинками високої енергії: черенковський, геомагнітний і геоелектричний механізми. Відзначено основні характеристики радіовипромінювання, серед яких інтенсивність, діапазон когерентності, просторова діаграма, поляризація. Сюди включені також результати експериментальних досліджень природи цього явища, починаючи з першої публікації про можливість спостереження когерентного черенковського радіовипромінювання і закінчуючи публікаціями останніх років.

В роботі зроблено першу спробу систематизувати результати дослідження минулих років. Незважаючи на невдалі спроби тих років, розробка принципової основи детектування космічних променів за радіочастотним випромінюванням стала ще більш актуальною на сьогодні. Більш того, інтерес, що зріс до походження частинок надвисокої енергії, не може бути задоволений традиційними детекторами. І в цих умовах, коли необхідно знову звернутися до можливостей цього методу, видається цілком природним, що аналіз попередніх робіт буде корисний для обговорення цієї проблеми, для оцінки методики дослідження явища радіовипромінювання і для створення нової експериментальної техніки.

Такий огляд дає можливість оцінити з погляду сучасних наукових задач придатність того чи іншого механізму радіовипромінювання з метою використання його для детектування космічних променів високої енергії. Важливою характеристикою космічної частинки є напрямок її руху. Особливу зацікавленість представляє ця інформація для частинок надвисокої енергії. В цьому разі з'являється можливість знайти напрямок на джерело. В рамках вимог, пред'явлених до детектора частинок дуже високої енергії , багато з розглянутих у роботі механізмів не забезпечує необхідних характеристик випромінювання.

Наприклад, черенковське випромінювання широкої атмосферної зливи, що є першим теоретично передбаченим механізмом когерентного випромінювання, і яке вважалося основним кандидатом на роль домінуючого механізму в області метрових хвиль. Як відомо, ширина просторової діаграми цього випромінювання в атмосфері Землі обмежена декількома градусами, і тому воно не може бути ефективно використане для детектування променів надвисокої енергії. Річ у тому, що для реєстрації космічних частинок з енергією з частотою подій хоча б близько 10 частинок на рік необхідний детектор із площею порядку . Очевидно, що при вузькій діаграмі спрямованості черенковського випромінювання будуть потрібні сотні антен, розміщених на цій території. Для визначення енергії частинки і напрямку її приходу число антен повинне бути збільшене ще на два-три порядки.

Такі ж обставини мають місце і з геомагнітним механізмом випромінювання, який практично в один час з черенковським був запропонований як можливий кандидат на роль домінуючого компоненту радіовипромінювання метрового діапазону довжин хвиль. Два цих механізми вважалися найбільш придатними для розробки методу радіодетектування космічних променів. Вважалося, що інші відомі механізми радіовипромінювання не могли бути настільки ефективними і, ймовірно, з цієї причини досліджувалися дуже рідко.

З позиції теперішнього часу тактичною помилкою видаються спроби замінити існуючий традиційний метод реєстрації (за допомогою сцинтиляційних лічильників) новим методом, в основі якого лежить факт можливості реєстрації радіовипромінювання, викликаного широкою атмосферною зливою. Це могло б, на думку дослідників, істотно спростити конструкцію детектора і зменшити його вартість. Очевидно, інші цілі чи не переслідувалися, чи, щонайменше, вони не обговорювалися. Фактом, що практично заморозив ці дослідження (приблизно з початку 80-х років), виявилося досить надійне вимірювання інтенсивності та просторової діаграми черенковського і геомагнітного компонентів радіовипромінювання широкої атмосферної зливи. Для зливи з енергією воно дало таку величину напруженості електричного поля на відстані 100 метрів від його вісі, що приблизно дорівнює 45 мкВ/мМГц, а це не набагато перевищує середньоквадратичну амплітуду космічних радіошумів. Амплітуда атмосферних чи промислових завад може перевищувати це значення на кілька порядків. Імовірніше за все, саме з цих причин подальші дослідження на початку 80-х років сильно скоротилися. З іншого боку, традиційні детектори аж до енергій цілком вдало справлялися з багатьма задачами фізики космічних променів.

Відповідно до змісту когерентного випромінювання, напруженість поля у фіксованій точці спостереження росте пропорційно енергії частинки і, здавалося б, що для частинок з дуже високою енергією напруженість поля повинна досягти величин, зручних для різних додатків методу радіодетектування. Проте широкі атмосферні зливи від частинок такої високої енергії досягають максимуму свого розвитку безпосередньо поблизу поверхні Землі чи навіть під землею (для частинок с ). Очевидно, що де б не знаходився спостерігач у цьому випадку, він не зареєструє факт пропорційного росту напруженості поля. І, дійсно, експеримент показав, що зі збільшенням енергії частинки зростання напруженості поля не виявлене, а в низці випадків спостерігається протилежна залежність. Імовірніше за все це пов'язано зі зменшенням площі ділянки, що опромінюється широкою атмосферною зливою при наближенні його максимуму до поверхні землі.

Важливим фактом для наступного напрямку досліджень є виявлення ще на початку 70-х років низькочастотного випромінювання, що супроводжує широку атмосферну зливу. Нажаль, далеко не всі методи вимірювання, використані в постановці низки експериментів, відповідали задачі визначення характеристик цього компоненту радіовипромінювання. Проте цей феномен викликав зацікавленість у багатьох дослідників і дав стимул для пошуку нових механізмів, відповідальних за низькочастотне випромінювання. За останні 1520 років, через нові теоретичні та експериментальні розробки в астрофізиці високих енергій, увага до частинок з енергією значно зросла. Традиційні методи детектування частинок вже зараз не можуть задовольнити зростаючий інтерес фізиків. Тому повернення до ідеї детектування космічних частинок за радіовипромінюванням каскадної зливи повинно було відбутися.

У другому розділі обґрунтовується вибір напрямку дослідження невідомих раніше характеристик радіовипромінювання з метою розробки на основі цих даних принципової схеми радіодетектора космічних променів надвисокої енергії. Для цього проведений короткий аналіз результатів експериментального дослідження природи радіовипромінювання широкої атмосферної зливи (особливо низькочастотного компонента) і аналіз можливості радіодетектування космічних променів у діапазоні енергій .

Характер та інтенсивність радіовипромінювання каскадної зливи, викликаної частинкою надвисокої енергії, визначається такими факторами як розмір зливи, каскадна функція зливи (що визначає кількість частинок на різних стадіях поздовжнього руху), поперечний розподіл щільності частинок у диску, нахилом зливи, величиною надлишкового заряду одного знаку, провідністю ґрунту, наявністю магнітного поля та деяких інших. З погляду класичної електродинаміки розрахунок поля випромінювання з одночасним врахуванням усіх факторів є складним завданням. Проте у низці випадків далеко не усі з них відіграють істотну роль в процесі радіовипромінювання. Через це стало можливим ідеалізувати деякі з умов та побудувати відносно прості (з погляду електродинаміки) моделі каскадних злив. Це дозволило в низці випадків без істотних втрат описати поле випромінювання за допомогою елементарних функцій і детально проаналізувати отримані результати.

В цілому, дослідження невідомого механізму випромінювання або конкретної схеми детектора здійснювалося в такому порядку.

1. Визначалися найбільш важливі з погляду електродинаміки параметри випромінювача: розміри, провідність середовища, діапазон частот, що цікавить, каскадна функція зливи, присутність постійного геомагнітного або геоелектричного поля.

2. З урахуванням характеру дослідження й вище перелічених фактів визначалася фізична модель радіовипромінювання каскадної зливи.

3. Визначався математичний вираз для струму джерела випромінювання.

4. Далі за відомою методикою обчислювався векторний потенціал поля, спектральна інтенсивність і просторова діаграма випромінювання.

5. Для інтенсивності випромінювання, яка перевершує інтенсивність радіоперешкод (атмосферних або космічних радіошумів) на 10 дБ визначалася площа впевненої реєстрації випромінювання та частота подій для обраного діапазону енергій.

6. Розглядалася необхідність врахування ефекту Ландау-Померанчука-Мігдала при розрахунку поля радіовипромінювання каскаду від частки надвисокої енергії в щільному середовищі.

У третьому розділі представлені результати теоретичних досліджень невідомих раніше механізмів радіовипромінювання, викликаного каскадною зливою в атмосфері або щільних середовищах. Сюди включені: випромінювання струму д-електронів електромагнітного каскаду, перехідне випромінювання поляризованого в магнітному полі Землі диска широкої атмосферної зливи, когерентне випромінювання іонізаційних електронів у полі атмосферної електрики, дослідження просторово-частотних характеристик перехідного випромінювання надлишкових електронів зливи, магнітогальмівне низькочастотне випромінювання, радіовипромінювання, обумовлене поперечним струмом заряджених частинок зливи, метод оцінки величини надлишкового заряду зливи за допомогою вимірювання амплітуди стоячої (або що біжить) хвилі в тороідальній двопровідній лінії, а також радіовипромінювання, викликане проходженням пучка нейтрино через сейсмічно активний шар Землі.

Дослідження цих механізмів було викликане необхідністю відшукання методу, що дозволяє в природних умовах (тобто на поверхні Землі) реєструвати ШАЗ від космічних частинок з енергією. Раніше згадувалося, що основна частина робіт автора пов'язана з пошуками механізму радіовипромінювання, відповідального за його низькочастотний компонент. Очевидно, просторова діаграма низькочастотного (~1 МГц і нижче) випромінювання повинна бути досить широкою. Цей факт безпосередньо пов'язаний з ефективністю радіодетектора космічних променів дуже високої енергії.

Подальші дослідження показали, що найбільш ефективно каскадна злива випромінює в щільному середовищі, а не в атмосфері. Це стимулювало пошуки методів радіодетектування, у якому робочим тілом детектора було б щільне непровідне середовище. Відсутність провідності забезпечує вільний вихід електромагнітних хвиль у вакуум або в повітря. Як виявилося надалі, за таке середовище зручно використати великі масиви льоду або поверхні Місяця. До того ж в останньому випадку є низка додаткових переваг, які дозволяють сподіватися що радіодетектор, винесений на орбіту Місяця, очевидно, є найбільш перспективним проектом в даний час. Нижче коротко представлені основні результати розробок.

1. Когерентне випромінювання, викликане струмом д-електронів ядерно- електромагнітного каскаду. Цей механізм випромінювання в хронологічній послідовності практично був першим з досліджених автором. Справа в тому, що за період активних експериментальних робіт (приблизно 1965-1980 р.) деякими авторами було описане явище сильного зростання спектральної інтенсивності радіовипромінювання широкої атмосферної зливи в області низьких (приблизно від 100 кГц до 5 МГц) частот. Це суперечило теоретичним розробкам для відомих у той час черенковського й геомагнітного механізмів. У відповідності до цих висновків, максимум спектральної інтенсивності повинен припадати на область частот 3050 МГц, що явно не відповідало експериментальним результатам. Природно, у плані завдань, поставлених автором даної роботи, це явище стимулювало до пошуку невідомого механізму.

Як фізичне явище когерентне випромінювання, викликане струмом -електронів, полягає в наступному. Як відомо, каскадна злива на максимальній стадії представляє з себе тонкий диск із числом заряджених частинок порядку , де енергія зливи, виражена в електрон-вольтах. Наприклад, число частинок у максимумі зливи з енергією становить близько . У широкій атмосферній зливі середня енергія електрона (або позитрона) становить приблизно 50100 МеВ. За весь час руху частинки зливи вибивають із атомів атмосфери (азот, кисень) електрони, які у свою чергу здатні іонізувати інші нейтральні атоми. Такі електрони називають -електронами. Поступово гублячи енергію, вони згодом сповільнюються, випромінюючи електромагнітний радіоімпульс. Таким чином, у процесі поширення злива супроводжується згустком надлишкових електронів (тобто -електронів), які й визначають просторовий імпульс струму, відповідальний за гальмове випромінювання.

До цього варто додати, що не слід ототожнювати цей надлишок електронів (тобто -електронів) з надлишком каскадних електронів за Аскар'яном, який виникає внаслідок анігіляції позитронів зливи під час її поширення в середовищі. Якщо припустити, що Аскар'яновський механізм утворення надлишкових електронів зливи відсутній, то це жодною мірою не відбилося б на величині струму -електронів. Для знаходження інтенсивності випромінювання, викликаного струмом -електронів, використані класичні методи електродинаміки. З метою спрощення виразу для струму всього каскаду враховано, що поперечні розміри каскадного диска (і тим більше його товщина) набагато менше довжини хвилі, обумовленої когерентністю для розглянутого діапазону частот (2L, L поздовжній розмір зливи). Тому, не вносячи істотних похибок, покладено, що каскадний диск є точковим об'єктом.

Відомо, що близько половини частинок у каскаді на його максимальній стадії мають енергію біля .

Прийнято також, що число таких частинок (це електрони й практично така ж кількість позитронів) виражається через каскадну функцію, представлену у вигляді відомого наближення Грейзена функції Нішімури та Камати:

,

де z глибина зливи (в ), енергія первинної частинки, критична енергія для електронів у середовищі, величина лавинної одиниці



віковий параметр зливи. Кожна із цих частинок витрачає свою енергію на іонізацію атомів середовища, у якій поширюється каскад. Енергія вибитого - електрона однозначно пов'язана з кутом його вильоту з атома. Імовірність зіткнення на довжині шляху в 1м, при якому енергія від каскадного електрона передається -електрону в інтервалі від до +d виражається за допомогою відомого рівняння:

.

Стандартна схема розрахунку проекції густини струму - електронів на вісь зливи , викликаного усіма каскадними електронами, дає:

де відстань між каскадним електроном й уявлюваною площиною Р, для якого найшвидший -електрон (якщо здійснитися акт передачі енергії) досягне цієї площини. Далі за відомою з електродинаміки методикою знайдено спектральну щільність струму:

,

векторний потенціал поля випромінювання на великій відстані від джерела:



,

спектральну напруженість поля:

і спектральну щільність енергії поля випромінювання

.

При незначному спрощенні функції Нішімури-Камати, яка виражає залежність числа частинок від глибини зливи, спектральна інтенсивність I() може бути представлена у вигляді

,

де активна частина зливи, на якій число частинок зменшується в е разів відносно максимуму, p відносна швидкість диска, кут між віссю зливи й напрямком спостереження, сумарний заряд -електронів у максимумі зливи та число частинок у максимумі зливи. Коефіцієнт пропорційності 0,12 визначається при знаходженні щільності струму . У цьому випадку залежність I() виражається графіком (див. рис.1)



Рис. 1. Залежність спектральної інтенсивності випромінювання д-електронів від частоти

Очевидно, що енергетичний спектр не симетричний. На рис. 1 по вертикальній вісі відкладена функція

,

що з урахуванням характерних величин L=3500 м, =90^о (спостерігач перебуває в площині землі, злива вертикальна), =1, р=1 і дає .

Рис. 2. f1 просторова діаграма випромінювання у вертикальній площині для частоти



Для f1 масштаб збільшений в 5 разів.

Очевидно, для вертикальної зливи поле випромінювання має вертикальну поляризацію, якщо спостерігач розташований у площині землі. Ґрунт у цьому випадку прийнятий не провідним. На рис. 2 показана просторова діаграма випромінювання у вертикальній площині для значення частоти .

З наведених виразів і рис.2 вимагається, щоб інтенсивність практично (=0,9998) необмежено зростала з підвищенням частоти. Це є наслідком обмеженості обраної моделі, в якій випромінювач має нескінченно малі розміри. Якщо випромінювач не буде точковим, то при підвищенні частоти різниця фаз електромагнітних хвиль, випромінюваних різними точками диска, буде співрозмірною з довжиною хвилі. В цьому випадку для одержання правильного показника амплітуди напруженості поля необхідно систему зарядів розбити на нескінченно малі області й провести додавання напруженостей з урахуванням фази. Груба оцінка показує, що між довжиною хвилі і розміром диска D повинен бути зв'язок . У цьому випадку різниця фаз електромагнітних хвиль, що приходять від крайніх точок диска не відрізняється більше, ніж на .

Перехідне випромінювання надлишкових електронів зливи. Детальне дослідження цього механізму радіовипромінювання широкої атмосферної зливи також стимулювалося результатом експериментальних досліджень у низькочастотних областях спектру. Ідея вважати цей механізм відповідальним за зростання інтенсивності в низькочастотній області відноситься приблизно до 80-х років. Такий механізм реалізується у випадку досягнення поверхні землі каскадного диску. Тут під надлишковими електронами розуміється надлишок за Аскар'яном, тобто утворені внаслідок анігіляції позитронів зливи. Ці електрони в кількості, що становить приблизно 10%, створюють некомпенсований поздовжній струм, що різко обривається на поверхні землі. В цьому випадку поле випромінювання зарядженої частки, що перетинає провідну поверхню, еквівалентно полю гальмового випромінювання при "миттєвій" зупинці цієї частинки і її електричного зображення на границі розділу. Так само рухається й електричне зображення зливи. Сумарне поле в цій моделі є результатом суперпозиції полів всіх надлишкових електронів зливи. У відповідності із цим зроблений висновок про положення максимуму спектральної інтенсивності в області частот ~0,75 MГц.

Рис. 3. Просторові діаграми випромінювання ШАЗ. Кут між віссю зливи та вертикаллю 30. а) частота 200кГц, б) частота 800 кГц.

Абсолютні величини спектральної напруженості поля відносно невеликі. Наприклад, для енергії первісної частинки і відстані до спостерігача напруженість поля становить величину ~10 мкВ/мMГц, що значно менше, ніж для деяких інших механізмів. Рис. 3 демонструє, як сильно може змінитися спрямованість випромінювання при зміні частоти спостереження. Ці дані отримані при розрахунку інтенсивності методами класичної електродинаміки й більш докладно тут не можуть бути відтворені.

Перехідне випромінювання ШАЗ в магнітному полі Землі. Спектральна інтенсивність розглянутого вище компонента радіовипромінювання майже на порядок менша, ніж інтенсивність перехідного випромінювання зливи, поляризованого в магнітному полі Землі. Знайдено, що в магнітному полі Землі протилежно заряджені диски позитронів та електронів розходяться на відстань, яка дорівнює приблизно 50 метрів. Зіткнення з поверхнею землі утвореного в такий спосіб квазістатичного диполя, є причиною вертикально поляризованого радіовипромінювання в діапазоні середніх частот (~400 м) з максимумом просторової діаграми, спрямованим вздовж вісі диполя.

Для розрахунку напруженості електромагнітного поля широка атмосферна злива представлена наступною моделлю:

а) ШАЗ - це нехтуючи тонкий диск із середньоквадратичним радіусом . По його поверхні рівномірно розподілені позитрони й електрони так, що в цілому він нейтральний;

б) число частинок у зливі залежно від висоти z описується каскадною функцією f(z), що для даної моделі з достатньою для неї точністю апроксимується залежністю

,

в) диск зливи рухається рівномірно й вертикально зі швидкістю уздовж траєкторії зі змінним радіусом кривизни. Такий рух викликаний слабким відхиленням у магнітному полі Землі й втратами енергії на іонізацію;

г) оскільки поле випромінювання досліджується на відстані , а діапазон частот, що цікавлять нас, лежить в інтервалі 0<<1 MГц, то для густини струму використано вираз ;

д) в горизонтальній складовій магнітного поля Землі нейтральний диск розщеплюється впоперек свого руху на два так, що величина моменту утвореного в такий спосіб диполя дорівнює , де d відстань між центрами протилежно заряджених дисків, а число частинок у кожному з них, залежно від висоти.

Для знаходження поля випромінювання сумарного спектра (тобто для диска електронів і позитронів) враховано, що один диск перебуває від іншого на відстані 2а=50 м. Напруженості поля, викликані кожним диском, будуть відрізнятися знаком і фазою в точці реєстрації. Різниця фаз буде залежати й від розташування спостерігача щодо дисків. Рис. 4 показує, що головний максимум спектральної інтенсивності при фіксованому азимутальному куті для зливи з енергією припадає на частоту (=135 м).

Рис. 4. Залежність спектральної інтенсивності від частоти для зливи з W₀=10²⁰ еВ. Числові коефіцієнти відповідають зазначеній енергії

Механізм радіовипромінювання зливи іонізаційними електронами, тобто такими, енергія яких слабка настільки, що не може викликати наступну іонізацію молекул середовища. Показано, що механізм радіовипромінювання, обумовлений прискоренням іонізаційних електронів, може бути досить ефективним.

Для розрахунку поля випромінювання прийнята наступна модель:

а) ШАЗ це нейтральний диск, який складається з електронів та позитронів з середньою енергією, обумовленою лоренц-фактором =200. Напрямок вісі зливи становить із вертикаллю кут . Каскадна функція обрана у вигляді



;

б) відомо, що внаслідок зіткнень електронів з атомами середовища, їхня енергія зрештою практично вся витрачається на збудження атомів та утворення іонізаційних електронів, які за кінцевий час термалізуються й “прилипають” до нейтральних атомів (). З урахуванням втрат на збудження, середня енергія, яка витрачається на іонізацію, становить близько 30 еВ;

в) при наявності постійного електростатичного поля іонізаційні електрони дрейфують вздовж нього до повного спинення (тобто прилипання);

г) кожен з іонізаційних електронів є елементарним випромінювачем;

д) поле випромінювання диска знаходиться підсумовуванням напруженостей від кожного елемента диска з урахуванням його фази.

Найбільша інтенсивність випромінювання буде мати місце для похилих злив. Цей факт добре підтверджується розрахунком напруженості поля й графічно показаний на рис. 5. Знайдена в роботі спектральна напруженість поля (залежно від кута між вертикаллю й віссю зливи та кута між напрямком спостереження й віссю зливи)

дозволяє порівняти ефективність розглянутого тут механізму й найбільш ефективного з відомих механізмів геомагнітного. Чисельні оцінки свідчать про рівноцінність ефективностей геоелектричного та геомагнітного механізмів радіовипромінювання в метровому діапазоні довжин хвиль. Більше того, напруженість електростатичного поля Землі може бути на порядок вищою при нестабільних погодних умовах, і тоді варто очікувати значної переваги інтенсивності випромінювання, викликаної іонізаційними електронами.

Рис. 5. Напруженість поля випромінювання залежно від кута спостереження . Суцільна лінія для 1 МГц, пунктирна для 5 МГц і переривчаста для 30 МГц. Напруженість поля показана у відносних одиницях, кути в радіанах

Магнітогальмівне низькочастотне когерентне радіовипромінювання ШАЗ. Для розрахунку поля була прийнята наступна модель джерела випромінювання:

а) спостерігач перебуває на відстані, що набагато перевищує поздовжні розміри широкої атмосферної зливи, так що квазікогерентне випромінювання лежить в інтервалі довжин хвиль 2L, де L поздовжній розмір зливи. Хвильова зона починається з відстані . Для спостерігача на такому віддаленні кут між віссю вертикальної зливи та напрямком спостереження наближений до /2;

б) внесок у сумарну інтенсивність дають всі заряджені частинки зливи (тобто позитрони й електрони). У магнітному полі Землі ці частинки здобувають напрямок прискорення, що залежить від знака заряду. Тому вектори напруженості поля випромінювання для частинок з різним знаком заряду в точці спостереження будуть складатися арифметично;

в) диск широкої атмосферної зливи має розміри набагато менші від довжини хвилі, отже щільність струму може бути представлена д-функцією. Це істотно спрощує розрахунки, практично не вносячи значних похибок;

г) електрична провідність землі приймається рівній нулю.

Аналіз отриманих результатів показав, що розглянутий механізм є найбільш потужним для низькочастотного діапазону 0<<50кГц. Особливість такого типу радіовипромінювання зливи це залежність поляризації поля від напрямку випромінювання (див. табл. 1). Напруженість поля, отримана в цій роботі, дається виразом:

Наприклад, для характерних параметрів зливи , (для частинки з енергією ), , , 2, одержимо . Це надзвичайно висока в порівнянні з іншими механізмами напруженість.

Механізм радіовипромінювання ШАЗ, викликаний розривом поперечного струму електронів. Відомо, що вже сам факт зникнення струму, поза залежністю від руху провідника зі струмом, викликає поле випромінювання. У роботі розглянуто поперечний струм, викликаний поділом заряджених часток зливи в магнітному полі Землі. Оскільки каскадний диск рухається зі швидкістю, обумовленою лоренц-фактором ~50100, то варто очікувати, що діаграма спрямованості повинна відображати релятивістський характер руху.

При розрахунку поля випромінювання зроблений ряд припущень, що не суперечать основним положенням про широку атмосферну зливу й коротко може бути виражена в наступних пунктах:

а) розглядається область частот порядку мегагерца й вище (300 м);

б) для такого діапазону частот випромінювання, викликане зіткненням заряджених часток з поверхнею землі, буде квазікогерентним, якщо різниця ходу від елементарних випромінювачів каскадного диска не буде перевищувати половини довжини хвилі;

в) у зв'язку із цим поперечний струм зливи будемо вважати зосередженим у тонкому каналі довжиною 2а=200 м (приблизний діаметр каскадного диска), поперечний переріз якого близький до нуля. Очевидно, таке наближення можливе для діапазону частот >1 МГц навіть для спостерігача, що перебуває в площині землі;

г) при досягненні поверхні землі струм припиняється миттєво;

д) каскадна злива рухається вертикально вниз зі швидкістю v~c і досягає поверхні землі на стадії, близькій до максимуму (для первісної частинки );

е) зміна поперечного струму в зливі в процесі його поширення в атмосфері описується каскадною функцією таким чином, що поздовжній розмір активної частини зливи становить кілька кілометрів, а вся злива має довжину порядку 10 км;

ж) спостерігач перебуває на відстані, що набагато перевищує поздовжній розмір зливи так, що початок і кінець активної частини зливи видимі приблизно під однаковими кутами;

з) початкова стадія руху зливи характеризується часом зміни набагато більшим, ніж a/c. У зв'язку із цим і вищесказаним (а-ж) можна припустити без істотних наслідків, що струм у зливі згодом змінюється за законом:

в інтервалі , де час, протягом якого величина струму в зливі збільшується в е раз при русі каскадного диска до землі;

е) оскільки досліджується область низьких частот, можна вважати, що поверхня землі є ідеальним провідником (наприклад, поверхня морської води);

В цих умовах знайдені просторові діаграми (рис. 6) і оцінка інтенсивності випромінювання. Аналіз вказав також на деякі особливості цього механізму:

а) для випадку добре провідної поверхні землі випромінювання в її площині відсутнє;

б) якщо поверхня землі слабко провідна, то поле випромінювання в її площині в діапазоні частот ~1МГц відрізняється за абсолютною величиною від раніше розглянутих компонентів радіовипромінювання неістотно, і з цього погляду є певні перспективи для його практичного використання;

в) для високих частот (>30 МГц) електромагнітна хвиля, відбита від провідної поверхні землі, має високу густину енергії й відповідно вузьку (порядку ) діаграму спрямованості;

г) досить незвичайний для широкої атмосферної зливи вид поляризації (горизонтальний) при спостереженні випромінювання на поверхні землі.

Надзвичайно висока інтенсивність поля на частотах 30 МГц і вище може бути використана для радіоастрономічного методу. Наприклад, злива навіть з відносно малою енергією, тобто порядку , на відстані 100 км створює напруженість поля відповідно 40400 мкв/мМГц. Відбившись від іоносфери, поле зменшиться, імовірно, не більше ніж в 10 разів і буде з надлишком достатнім для впевненої реєстрації декаметровим радіотелескопом.

Електромагнітне поле ШАЗ в близькій зоні. Відповідно до гіпотези Г.А. Аскар'яна, каскадна злива має від'ємний надлишковий заряд, розподілений по об'єму диска. Його рух еквівалентний проходженню імпульсу струму вздовж вісі зливи. У роботі зроблені оцінки величини э.р.с., що наводиться у двопровідній лінії, вигнутій у вигляді кола з радіусом м, один із провідників якої має форму спіралі, а інший проходить вздовж її вісі. Така індуктивна лінія з розподіленими параметрами здатна реєструвати магнітне поле, що виникає при проходженні зарядів ШАЗ через площину тора. Величина різниці потенціалів u (x, t) у двопровідній лінії описується системою телеграфних рівнянь

Рис. 6. Симетрична половина просторової діаграми випромінювання (у відносних одиницях) залежно від азимутального кута для частот

суцільна лінія F(), штрих-пунктирна f() і жирні цятки Ф().

Розв'язки рівнянь щодо u(x,t), які задовольняють умовам , показують, що вздовж спіральної двопровідної лінії зі швидкістю поширюється електромагнітна хвиля, яка складається з трьох компонентів, які мають амплітуди:

, , ,

, .

Для характерного набору параметрів і для наближеного вираження напруженості поля величина сигналу буде мати порядки: , і . Розрахований поріг чутливості такої лінії склав .

Радіовипромінювання, викликане проходженням пучка нейтрино через сейсмічно активний шар Землі. Відомо, що проходження пучка нейтрино через попередньо напружене середовище зумовлює появу мікротріщин у треках сильноіонізуючого компонента ядерно-електромагнітного каскаду. Процес розвитку тріщини викликає різні емісійні явища і, зокрема, виникнення надлишкових зарядів різного знаку на її стінках. Ці заряди, очевидно, і є причиною емісії імпульсних електричних полів, які можуть мати переважну орієнтацію при неоднорідній механічній напрузі тендітного матеріалу. Тому подаль ший розвиток тріщини супроводжується не лише акустичним, але й електромагнітним імпульсом, що є наслідком прискореного руху її стінок.

Проведено порівняння чутливості детекторів з акустичними й електромагнітним вторинними випромінюваннями. Для цього обчислена величина електромагнітної й акустичної енергії , що падає на за час дії одного імпульсу прискорювача. Знайдено, що їхнє відношення дорівнює =0,36*10^-2. З більших площ електромагнітну енергію зібрати набагато зручніше, ніж акустичну. Крім цього, коефіцієнт перетворення акустичного сигналу в електричний, навіть для кращих п'єзоелектричних матеріалів, не перевищує величини ~ 0,1. Тому зроблено висновок про те, що розглянутий тут принцип детектування, в основі якого лежить явище радіаційного тригера сейсмічно активного середовища, може конкурувати з акустичними детекторами пучків нейтрино високої енергії. У табл. 1 представлені порівняльні характеристики різних механізмів радіовипромінювання каскадних злив. Видно, що лише два перших механізми радіовипромінювання не потребують наявності зовнішніх полів.

Перший це струм д-електронів, і другий - перехідне випромінювання надлишковими електронами зливи. Другий з названих механізмів можливий лише при переході зливи з одного середовища в іншу, з різними електричним властивостям. Крім цього, як видно з таблиці, величина інтенсивності радіовипромінювання його значно менше, ніж для першого механізму. Цей висновок є вирішальним для вибору методу радіодетектування космічних променів надвисокої енергії.

В четвертому розділі на підставі вищенаведених результатів досліджень представлені кілька розроблених варіантів принципових схем радіодетекторів частинок надвисоких енергій.

Найкращі показники, за думкою авторів, має радіодетектор, розміщений на борту двох космічних модулів на навколомісячній орбіті. Відповідно до цього проекту, крім однакових комплектів приймальної апаратури для реєстрації, на кожному з таких модулів є система антен (три взаємно перпендикулярних вібратори). Показано, що величина амплітуди наведених сигналів однозначно визначає енергію й напрямок руху частинки, яка викликала каскадну зливу в поверхневому шарі Місяця. Коротко пояснимо сутність цього методу. Просторова діаграма випромінювання ізольованого елементарного вібратора добре відома. Просторова діаграма випромінювання, викликаного струмом -електронів зливи, у діапазоні довжин хвиль > 2L (де L поздовжній розмір зливи) також відома (в обох випадках вона sin).

Каскадна злива в ґрунті Місяця наведе э.р.с. та на клемах відповідних антен першого й другого модулів. Очевидно, вона може бути виражена через величину напруженості поля й кути ,, між вектором та осями x,y,z. Це дає систему з 8 рівнянь для визначення й напрямних косинусів у системі координат кожного з модулів. Далі за допомогою геометричних побудов знаходиться рівняння прямої, яка визначає напрямок руху частки. В остаточний вираз для неї входять лише величини амплітуд радіосигналів і дані про орієнтацію модулів. Цей розрахунок напрямку руху космічної частинки однозначно розв'язує питання про кількість електронів у зливі, а отже і про величину енергії космічної частинки. Проведений у роботі аналіз показує, що необхідних умов для реалізації методу радіодетектування на поверхні Землі немає. Серед причин - наявність атмосфери, високої провідності ґрунту, який поглинає електромагнітне випромінювання, наявність високого рівня атмосферних і промислових завад. Єдиним видом радіозавад на поверхні Місяця є галактичні радіошуми, зумовлені середньою температурою небесної сфери на цих частотах. Середньоквадратична величина амплітуди радіошумів дорівнює приблизно 3 мкВ для робочої смуги частот =1 МГц, а е.р.с., яка наводиться в антені радіосигналом від частинки з енергією на орбіті Н=1000 км, дорівнює приблизно , де h=3м діюча висота вібратора, =10 м довжина хвилі.

...