Радіовипромінювання каскадних злив і детектування космічних променів надвисоких енергій

Більш докладно можливі комбінації, пов'язані з вибором мінімальної енергії частинки, представлені в табл. 1.

Навіть у такому найпростішому варіанті детектора, коли приймач із антеною встановлений лише на одному модулі, можна розв'язати низку практично нерозв'язуємих на Землі завдань. Наприклад, приблизно встановити величину показника спектра , перевірити гіпотезу про реліктове обрізання енергетичного спектра, оцінити величину анізотропії космічних променів при енергіях .

Отже, як висновок з вищесказаного є те, що проект детектора космічних променів, який дає можливість реєстрації частинки в діапазоні енергій eВ з підходящою частотою подій, визначення величини її енергії, визначення напрямку приходу частинки є в цей час унікальним, і в найближчому майбутньому для традиційних методів детектування таких показників досягти не є можливим. Цей факт стимулює експериментальні дослідження з метою перевірки основних ідей цього проекту. Проведення експерименту на місячній орбіті з метою попередньої перевірки основних положень проекту радіодетектора буде достатньо дорогим заходом. Тому дуже важливо розробити такий метод перевірки, щоб він не був пов'язаний з запуском космічних апаратів.

Таблиця 1. Вибір радіуса орбіти місячного модуля залежно від мінімальної енергії детектуємої частинки

В наведеній роботі таку можливість знайдено. Якщо каскад поширюється в щільному середовищі (наприклад, сухий ґрунт, у якого густина на три порядки вища, ніж у нормальної атмосфери), то сумарна інтенсивність когерентного випромінювання -електронів в усьому діапазоні частот збільшується в тисячі разів у порівнянні з атмосферною зливою.

Це пов'язане з тим, що внаслідок зменшення поздовжніх розмірів каскаду максимум спектральної густини з області 50 кГц зміститься приблизно в ділянку частот порядку 50 МГц. У дисертації показано, що струм -електронів зливи, усереднений за час проходження каскаду в щільному середовищі, становить для частинки з енергією величину порядку кількох десятків ампер. Розрахована напруженість поля випромінювання на відстані від Місяця для такої частинки в середньому дорівнює E?0,5 мкВ/мМГц. Це відповідає потужності електромагнітного сигналу . Тому на поверхні Землі він може бути надійно зареєстрований за допомогою декаметрового радіотелескопа, наприклад, типу УТР-2. Цей факт вказує на можливість застосування радіоастрономічного методу для реєстрації космічного випромінювання надвисокої енергії. Оцінки, проведені в роботі, показали також, що інтенсивність радіошумів як мінімум на два порядки менша від корисного сигналу. Розроблена конкретна схема експерименту із захистом від імпульсних радіозавад техногенного походження. Їхнє усунення є більш актуальним завданням, аніж космічні радіошуми. На рис.7 представлена блок-схема установки для проведення реального експерименту з антеною радіотелескопа УТР-2. На схемі позначено: BF триконтурний смуговий (=2МГц) фільтр, HFA підсилювач радіочастоти (3032 МГц), IA підсилювач продетектованих сигналів і формувач, DL лінія затримки, EK схема антизбігу, R реєструючий пристрій. Антена використовувалась для реєстрації техногенних радіоперешкод.

З цією ж метою з мережі силового живлення також вибирався імпульсний сигнал радіозавади, і після обробки й посилення надходив на схему антизбігу. Перші результати показали надзвичайно високе завантаження радіозавадами промислового походження - приблизно кілька імпульсів за годину. В той же час частота корисного сигналу очікується не більшою ніж одна подія за тиждень. При такому співвідношенні частот і відсутності надійних ознак відмінності корисного сигналу від перешкоди однозначних висновків зробити не можна. Тому пошук надійної схеми реєстрації триває.

При дослідженні механізму радіовипромінювання струму -електронів було знайдено, що діаграма радіовипромінювання зливи в ділянці довжин хвиль значно меншої довжини, ніж поздовжній розмір зливи, здобуває сильно виражену спрямованість вбік поширення зливи. При куті ~0,2 напруженість поля в цій області зростає не менше ніж на порядок для частот ~1 МГц. Через це з'являється реальна можливість реєструвати зливи з високою енергією. Цю обставину супроводжує той факт, що для частот ~1 МГц величина атмосферних завад мінімальна, й у сприятливий час доби не перевищує 23 мкВ/мМГц.

Рис. 7. Блок-схема експериментальної установки для реєстрації космічних променів за допомогою радіотелескопа, А₁ антена радіотелескопа, А₂ вертикальний штир

Відомо, далі, що атмосферні зливи з енергієюэВ не досягають поверхні землі, якщо їхня вісь становить кут з вертикаллю більше. Для таких сильно похилих злив представлена розроблена схема детектора, в основі якого закладена ідея використання антени Бевереджа (антени бігучої хвилі. Будучи дуже простою конструктивно, вона, проте, забезпечує вузьку діаграму спрямованості при довжині антени більшою від декількох довжин хвиль. Антена являє собою провідник, підвішений на висоті 2-3 метри. Вимірювання середньоквадратичної амплітуди й частоти завантаження прийомного каналу промисловими радіозавадами показали, що ідентифікація корисного сигналу від широкої атмосферної зливи в таких умовах є важко розв'язуваним завданням. Проте вимірювання цих показників у польових умовах дало дуже обнадійливий результат. Тому надзвичайна простота антени Бевереджа дає підстави для спроби проведення експерименту в польових умовах з використанням автономного живлення радіоприймальної апаратури. При цьому існує низка ознак, які дозволяють відрізнити корисний сигнал від атмосферного розряду.

Вище відзначалося, що перехідне радіовипромінювання, викликане поляризованим диском у магнітному полі Землі, має високу інтенсивність. Наприклад, злива від первісної частинки з енергією еВ на відстані 100 км викликає поле з напруженістю близько E=70 мкв/мМГц у діапазоні 1 MГц. Як відомо (див. вище), при сприятливих умовах напруженість поля атмосферних завад на цій частоті невисока й дорівнює приблизно 1 мкВ/мМГц. Такий детектор повинен бути встановлений на значному віддаленні від промислового устаткування. Для реалізації проекту необхідна ділянка із площею порядку 5*10⁴ км², вільна від техногенних радіозавад. Обчислене в роботі ослаблення сигналу за рахунок дифракції показує, що воно практично незначне, якщо для детектора обрана поверхня моря або океану.

Показано також, що на цій площі можна розмістити кілька радіоприймальних пунктів так, що напруженість поля сигналу для трьох і більше точок буде не нижчою 40 мкВ/мМГц для частинок з енергією еВ. Ця величина амплітуди цілком достатня для надійної реєстрації атмосферної зливи. Спробу використання такої схеми детектора було здійснено в районі антарктичної полярної станції “Академік Вернадский” в 2005 році.

У роботі досліджено можливість реєстрації радіосигналів від широких атмосферних злив за допомогою системи вібраторів сфазованих певним чином в ділянці частот 50 МГц. Знайдені оцінки спектрального потоку енергії радіосигналу від космічних частинок з енергіями еВ показують, що для цього діапазону енергій амплітуда радіосигналу на навантаженні антени набагато перевищує середньоквадратичну амплітуду космічних радіошумів для діапазону 4850 МГц. Цей факт має принципове значення. По-перше, він відкриває можливість використати радіоастрономічну антену для реєстрації злив з відносно малою енергією. По-друге, при використанні радіоастрономічної антени для реєстрації радіоімпульсів з поверхні Місяця не можна не враховувати можливості помилкових сигналів від широких атмосферних злив з енергіями еВ.

Як уже зазначалося, оцінки, покладені в проект описаного вище місячного детектора, можуть бути певною мірою піддані експериментальній перевірці. Насамперед це стосується величини спектральної інтенсивності радіовипромінювання, обумовленого струмом д-електронів і можливого зсуву його максимуму внаслідок посилення впливу ефекту ЛПМ (Ландау-Померанчука-Мігдала) на формування каскадів надвисокої енергії в щільному середовищі. З цією метою запропоновано ще одну можливу перевірку висновків теоретичних оцінок щодо детектора на навколомісячній орбіті. Вона пов'язана з тим, що переважна частина поверхні льодового покрову Антарктиди розташована на висоті близько 3-4 км над рівнем моря.

Шлях, пройдений в атмосфері майже вертикальною зливою з первісною енергією еВ, становить всього близько 18 t-одиниць (вся атмосфера до рівня моря має глибину близько 29 t-одиниць), а максимум зливи з такою енергією повинен перебувати на глибині 35 t-одиниць, тобто приблизно на 2 км нижче рівня моря. Іншими словами, у поверхні льоду навіть похила злива не може досягнути максимуму (параметр віку s ~ 0,60,7) і число частинок на цій стадії приблизно на порядок менше, ніж в максимумі. У цьому випадку ефективна стадія зливи (з погляду кількості частинок в ньому) буде повністю перебувати під поверхнею льоду.

Просторова діаграма випромінювання зливи близька за своєю формою до діаграми елементарного диполя. Якщо первісна частинка має енергію еВ, то напруженість поля електромагнітного імпульсу, викликаного електронно-фотонною лавиною на відстані 1000 км, буде мати величину близько. Це дуже висока напруженість поля, та її достатньо для впевненої реєстрації сигналу практично з усієї поверхні материка, навіть для енергії частинки еВ. Реалізацію такого методу реєстрації частинок надвисокої енергії також було розпочато на українській антарктичній станції “Академік Вернадський”. Попередні вимірювання, проведені в діапазоні частот 6-9 МГц, вказали на занадто високу частоту подій. Не виключено, що це пов'язано з високим рівнем радіозавад. Необхідно додаткові дослідження причин цього явища.

Таким чином, із двох представлених вище варіантів перевірки методу радіодетектування космічних променів високої енергії, перший виявляється найкращим. Такий вибір обумовлений, насамперед, самим фактом існування унікального радіотелескопа з необхідними параметрами. Мова, як уже згадувалося, ведеться про телескоп Радіоастрономічного інституту Національної Академії Наук України (м. Харків).

Факт реєстрації корисного сигналу й вимірювання його амплітуди буде свідчити, по-перше, про справедливість теоретичних оцінок інтенсивності радіовипромінювання струму -електронів, і, по-друге, про незначний вплив ефекту ЛПМ на розвиток електромагнітного каскаду. В противному випадку, тобто якщо сигнал не буде зареєстрований, можливі кілька варіантів пояснення такого результату. Це вагомий вплив ефекту ЛПМ на електромагнітний каскад, невірні теоретичні оцінки інтенсивності сигналу, принципова відсутність в околиці Землі космічних частинок з енергією еВ (або потік їх дуже слабшає) і т.д. Другий варіант перевірки (антарктичний) зручний тим, що вплив ефекту ЛПМ зводиться до мінімуму й може не враховуватися в оцінках. Головна незручність пов'язана лише з несприятливими умовами, що викликані віддаленістю місця проведення експерименту.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено механізм випромінювання струму -електронів каскадної зливи, викликаного частинками надвисокої енергії. Цей механізм принципово відрізняється від раніше відомих черенковського і геомагнітного механізмів випромінювання діапазоном частот, просторовою діаграмою спрямованості і положенням спектрального максимуму. Знайдено, що діапазон когерентного випромінювання починається з довжин хвиль, перевищуючих подовжній розміру каскаду. Виявлено, крім цього, що максимум просторової діаграми цього випромінювання лежить у площині, перпендикулярній вісі каскаду, і має подовжню поляризацію. Для широкої атмосферної зливи в околі частот 30100 кГц він має максимум випромінювання і тому може стати механізмом, якій відповідає за експериментально виявлене явище підвищення інтенсивності зі зменшенням частоти. У щільному середовищі його спектральна інтенсивність посилюється на декілька порядків, завдяки чому він може бути покладеним в основу для розробки радіодетектора космічних частинок надвисоких енергій.

2. Розроблено механізм низькочастотного когерентного магнітогальмівного випромінювання широкої атмосферної зливи. Він зумовлений викривленням траєкторії заряджених частинок зливи в магнітному полі Землі. Діапазон когерентності лежить в області довжин хвиль, які перевищують подовжні розміри широкої атмосферної зливи. Визначено діаграму випромінювання, поляризацію й інтенсивність випромінювання. В околі частот 30100 кГц він також може бути кандидатом на експериментально виявлене явище підвищення інтенсивності випромінювання ШАЗ зі зменшенням частоти.

3. Знайдено та розроблено механізм перехідного випромінювання поляризованого в магнітному полі Землі диска ШАЗ. На відміну від перелічених вище механізмів, максимум когерентного випромінювання лежить в діапазоні довжин хвиль, близьких до поперечних розмірів зливи. Знайдено, що поляризація випромінювання подовжня й у горизонтальній площині діаграма випромінювання характеризується двома пелюстками (вісімкою), напрямок яких перпендикулярний до магнітних силових ліній. Зроблено розрахунок для інтенсивності випромінювання. Показано, що цей механізм може бути домінуючим механізмом в околі частот 0,51,5 МГц.

4. Знайдено та розроблено механізм когерентного радіовипромінювання, викликаного скиданням напруги сейсмічно активного (метастабільного) шару Землі при проходженні через нього пучка нейтрино високої енергії. За знайденими характеристиками випромінювання зроблено висновок про принципову можливість використання радіовипромінювання, що супроводжує процес тріщиноутворення для детектування пучків нейтрино. Проведено порівняльні оцінки чутливості акустичного детектора і радіодетектора.

5. Обчислено невідомі раніше характеристики радіовипромінювання широкої атмосферної зливи, викликаної прискоренням іонізаційних електронів в полі атмосферної електрики. Описано характер поляризації цього випромінювання і показано, що при сприятливих умовах (досить висока напруженість електростатичного поля, спрямованість діаграми випромінювання на спостерігача, необхідний нахил зливи) інтенсивність випромінювання з максимумом в околі декількох мегагерц може на порядки перевищити інтенсивність від інших відомих механізмів. Відзначено залежність інтенсивності випромінювання від погодних умов.

6. Розраховано просторові діаграми перехідного радіовипромінювання надлишкових електронів широкої атмосферної зливи в залежності від нахилу зливи і частотного діапазону. Зроблено розрахунок інтенсивності ШАЗ. Показано, що цей механізм неефективний і не може відповідати за виявлене раніше явище росту інтенсивності радіовипромінювання ШАЗ зі зниженням частоти.

7. 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 зроблено висновок про можливість використання цього механізму для реєстрації космічних частинок надвисокої енергії.

8. Розроблено принципові схеми двох радіодетекторів широких атмосферних злив з енергією порядку . В основі першого з них лежить можливість реєстрації перехідного випромінювання поляризованого в магнітному полі Землі каскадного диска широкої атмосферної зливи. Основу другого проекту детектора майже горизонтальних злив () складає доведена можливість реєстрації високочастотного компонента радіовипромінювання, викликаного -електронами широкої атмосферної зливи.

9. Обґрунтовано радіоастрономічний метод реєстрації космічних частинок надвисокої енергії в декаметровому діапазоні довжин хвиль. Запропоновано спосіб дослідження характеристик випромінювання -електронного компонента каскадної зливи за допомогою цього методу. Запропоновано принципову схему експерименту

10. Теоретично обґрунтовано можливість детектування частинок надвисокої енергії за допомогою реєстрації радіочастотного випромінювання, відбитого від верхніх шарів іоносфери. Робоча площа такого детектора це поверхня Антарктиди. Показано, що в цьому випадку електромагнітний каскад від частинки з енергією більше еВ практично цілком поширюється під поверхнею льоду, а радіоімпульс, що супроводжує каскад, має в цьому випадку достатню інтенсивність для його надійного спостереження.

11. Теоретично обґрунтовано радіофізичний метод детектування космічних променів за допомогою штучного супутника Місяця для діапазону надвисоких енергій еВ, недоступного традиційним методам. В його основу покладена принципова можливість реєстрації компонента радіовипромінювання, зумовленого струмом -електронів каскадної зливи на поверхні Місяця. Він дозволяє, на відміну від раніше відомих проектів радіодетекторів, визначати не лише енергію частинки, але і напрямок її руху.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Филоненко А.Д. Радиоэмиссия каскадных ливней и детектирование космических лучей сверхвысокой энергии.- Луганск, СНУ ім. В. Даля, 2002.- 279 C.

2. Филоненко А.Д. Детектирование космических лучей по электромагнитной радиоэмиссии ливня и возможности этого метода в диапазоне сверхвысоких энергий // УФН.- 2002.- Т. 172, №4.- С. 439- 471.

3. Филоненко А.Д., Чех Ю.Н. Новый метод эффективной регистрации радиоизлучения широких атмосферных ливней с энергиями // Радиофизика и радиоастрономия. - 2002.- Т. 7, №2.- С.160-169.

4. Филоненко А.Д. Определение ориентации оси каскадного ливня космической частицы сверхвысокой энергии //Письма в ЖТФ.-2002.- Т.28, №3.- С. 60-65.

5. Филоненко А.Д. О радиочастотном компоненте переходного излучения широкого атмосферного ливня // ЖТФ.- 2001.- Т. 71, №3.- С. 88-91.

6. Филоненко А.Д. О природе аномального электромагнитного радиоимпульса, вызванного широким атмосферным ливнем. // Письма в ЖТФ.- 2001.- Т. 27, №10.- С. 9-15.

7. Абранин Э.П., Веремеенко И.Л., Войтенко В.А., Голубничий П.И., Коноваленко А.А., Павлюков В.Ф., Филоненко А.Д. Экспериментальное исследование возможности регистрации космических лучей высокой энергии () радиоастрономическим методом // Известия РАН.- 2001.- сер.физ. - Т. 65, №11.- С. 1670-1671.

8. Филоненко А.Д. Пространственно-частотные характеристики радиоэмиссии, вызванной взаимодействием широкого атмосферного ливня с поверхностью Земли // ЖТФ.- 2000. - Т. 70, №10.- С. 127-131.

9. Филоненко А.Д. Низкочастотная радиоэмиссия, вызванная когерентным магнитотормозным излучением заряженных частиц широкого атмосферного ливня // ЖТФ.- 2000.- Т. 70, №10.- с. 132-134.

10. Фiлоненко А.Д. Про можливiсть детектування космiчних променiв надвисокої енергii за радiочастотним компонентом електромагнiтної емiсiї широкої атмосферної зливи // Укр. фiз. жур.- 2001.- Т. 46, №2.- с. 148-151.

11. Голубничий П.И., Филоненко А.Д. Детектирование космических лучей супервысокой энергии с помощью искусственного спутника Луны. // Космічна наука и технологія.- 1999.- Т. 5, №4.- с. 87-92.

12. Филоненко А.Д. Регистрация космических лучей очень высокой энергии

декаметровым радиотелескопом УТР-2 // Письма в ЖЭТФ.- 1999.- Т. 70, №10.- С. 639-641.

13. Филоненко А.Д. О вкладе переходного излучения в механизм радиоэмиссии широкого атмосферного ливня на низких частотах // Известия РАН, сер. физ.- 1999.- Т. 63, №3.- С. 564-566.

14. Филоненко А.Д. Регистрация космических лучей высокой энергии посредством наблюдения отражённого от ионосферы радиосигнала // Письма в ЖТФ.- 1998.- Т. 24, №24.- С. 65-68.

15. Филоненко А.Д. Перспективы детектирования космических лучей супервысокой энергии // Письма в ЖТФ.- 1997.- Т. 23, №10.- С. 57-62.

16. Филоненко А.Д. Детектирование космических лучей с первоначальной энергией с помощью радиотелескопа // Известия РАН, сер. физ.- 1997.- Т. 61, №3.- С. 543-546.

17. Голубничий П.И, Филоненко А.Д. Когерентное низкочастотное излучение, вызванное -электронами широких атмосферных ливней // Укр. физ. журнал.- 1996.- Т. 41, №7-8.- С.696-699.

18. Голубничий П.И., Филоненко А.Д., Яковлев В.И. Низкочастотное радиоизлучение ШАЛ и его использование в методе радиодетектирования // Известия РАН, сер. физ.- 1994.- Т. 58, №12.- С. 115-118.

19. Голубничий П.И., Филоненко А.Д. Радиодетектирование широких атмосферных ливней супервысоких энергий // Письма в ЖТФ.- 1994.- Т. 20, №23.- С. 59-62.

20. Голубничий П.И. Филоненко А.Д. Радиоизлучение в диапазоне средних и низких частот, вызванное широким атмосферным ливнем // Письма в ЖТФ.- 1994.- Т. 20, №12.- С. 57-61.

21. Голубничий П.И., Филоненко А.Д. Электромагнитное детектирование широких атмосферных ливней // Известия АН СССР, сер. физ.- 1991.- Т. 55, №4.- С. 727-729.

22. Голубничий П.И. Филоненко А.Д. Радиационный триггер сейсмически активного слоя в детекторах пучков нейтрино высоких энергий // Известия АН СССР, сер. физ.- 1989.- Т. 53, №2.- С. 366-368.

23. Войтенко В.А., Голубничий П.И., Филоненко А.Д. О проекте детекторакосмических лучей сверхвысокой энергии () // Известия РАН, сер. физ.- 2002.- Т. 66, №11.- C. 1641-1643.

24. Филоненко А.Д. Радиоизлучение, вызванное поперечным током заряженных частиц широкого атмосферного ливня//Радиофизика и электроника.- 2004.- Т. 9, №2.- С.400-404.

25. Филоненко А.Д. О возможности регистрации широких атмосферних ливней радиоастрономическим методом // Радиофизика и радиоастрономия.- 2004.- Т. 9, №2.- С. 221-225.

Размещено на Allbest.ru