Когда говорят о каких-то лучах, считается, что речь идёт о разновидности электромагнитных волн. Например, луч лазера, луч света, рентгеновские Х-лучи или гамма-излучение. Однако в физике есть «лучи», которые не имеют никакого отношения к свету и вообще к электромагнетизму. Вот простой пример: радиоактивное излучение. Да, конечно, часто это гамма-излучение, но есть ещё альфа- и бета-«лучи», представляющие собой поток ядер гелия и поток электронов. То же самое относится и к космическим лучам, которые были обнаружены чуть более века назад.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(23). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

О существовании за пределами нашей планеты излучения стало известно в начале XX века, когда в опытах по электрической проводимости газов обнаружили некий спонтанный ток, который не удавалось объяснить земной радиоактивностью.

В 1911–1912 годах австро-американский физик Виктор Гесс начал экспериментировать, поднимая камеру с газом на воздушных шарах на разную высоту. Оказалось, чем больше высота, тем сильнее излучения. Стало быть, оно приходит из космоса. Спустя десять лет нобелевский лауреат Роберт Милликен придумал для этого явления термин «космические лучи». С тех пор и началась история физики космических лучей.

Виктор Гесс 

Нужно сказать, что на ранних этапах изучения космические лучи принесли физикам несколько нобелевских премий: в 1936 году Карл Андерсон получил премию за открытие в космических лучах позитрона, античастицы к электрону (разделив премию с Виктором Гессом), одновременно открыл в лучах мюоны. В 1947 году в лучах открыли пи-мезоны, что автоматически подтвердило теорию о существовании частиц промежуточной массы между электроном и протоном, которую выдвинул в 1930‑х годах японский физик-теоретик Хидеки Юкава. Естес­твенно, в 1949 году премию получил и сам Юкава.

Как вы уже поняли, космические лучи — это поток разнообразных частиц. В основном лучи состоят из электронов и ядер атомов.

Так, согласно последним теоретическим представлениям, некоторые химические элементы рождаются только в космических лучах! Если водород с гелием образовались ещё при Большом взрыве, то лёгкие элементы появляются в недрах звёзд в результате «горения», а тяжёлые элементы — в момент их гибели, во вспышках сверхновых (так возникают и некоторые космические лучи). Но большая часть лития и почти весь бериллий и бор рождаются там, где частицы космических лучей сталкиваются с веществом (например, межзвёздным газом) и «скалывают» фрагменты атомов, создавая новые элементы.

Но это всё происходит в космосе. Кстати, там, как считается, лучи высоких энергий можно увидеть «невооружённым глазом»: космонавты на Международной космический станции отмечают, что при моргании видят вспышки света. Видимо, это связано с тем, что в чувствительные клетки сетчатки глаза попадают космические лучи сверхвысоких энергий.

Когда фотон взаимодействует с тяжёлым ядром, он производит две частицы, движущиеся в противоположных направлениях: отрицательно заряженный электрон, положительно заряженные позитроны.

Что же происходит тогда, когда частицы космических лучей долетают до нашей планеты? Давайте проследим путь пролетевшего миллионы световых лет ядра, например, кислорода.

Итак, частица с огромной скоростью, близкой к скорости света и огромной энергией, недоступной Большому адронному коллайдеру, врезается в атмосферу. Что происходит дальше? Дальше начинается очень красивое явление, которое называется широкий атмосферный ливень. Оно и позволяет изучать космические лучи.

Что же это такое? Представьте себе бильярдный стол и шары. В начале партии биток летит в пирамиду шаров, после удара все шары разлетаются по столу. В атмосфере Земли происходит нечто похожее: частица в верхних слоях атмосферы врезается в первый попавшийся атом или молекулу, вызывая ливень вторичных частиц — образовавшиеся частицы врезаются в другие, появляются новые частицы, они врезаются в третьи — и так далее. Площадь ливня частиц, который долетает до Земли, может составлять квадратные километры! Эти ливни открыл французский физик Пьер Оже. Увы, ему «нобелевка» не досталась, зато в его честь названа одна из обсерваторий, изучающих космические лучи, которая расположена в провинции Мендоса в Аргентине.

Но вернёмся к нашим атмосферным ливням вторичных частиц. Прелесть всего процесса ещё и в том, что образующиеся частицы летят быстрее… скорости света. Невозможно? На самом деле возможно. Ведь теория относительности запрещает только двигаться быстрее скорости света в вакууме. Скорость света в воздухе уже меньше. Так вот, когда частица движется быстрее скорости света в среде, она начинает светиться.

Вы, наверное, видели, как в фантастических фильмах радиоактивные предметы светятся зеленоватым или голубоватым светом? Это не фантазия, так оно и есть на самом деле: кусочек урана будет светиться, правда, в основном в воде — там скорость света меньше, и свечение заметнее. Если вам когда-нибудь повезёт попасть на атомную станцию, вы сможете увидеть свечение отработанных стержней, которые отстаиваются в специальном бассейне.

Это явление открыли советские физики Сергей Вавилов и Павел Черенков, а объяснили Илья Франк и Игорь Тамм. Оно получило название эффект Вавилова-Черенкова и за его открытие и объяснение Черенков, Франк и Тамм получили Нобелевскую премию по физике 1958 года.

Именно эффект Вавилова-Черенкова позволяет нам видеть космические лучи. И именно из-за этого обсерватория по изучению космических лучей выглядит несколько разочаровывающе для человека, желающего увидеть передовую науку воочию.

На самом деле эти «кастрюли» - точные детекторы высоких мощностей

На границе Бурятии и Иркутской области в Тункинской котловине находится одна их крупнейших в мире обсерваторий по изучению космических лучей. Представьте себе: на горизонте — прекрасные Саяны, а перед вами — несколько квадратных километров ровной поверхности, на которой в каком-то порядке разбросано нечто, очень напоминающее крупные кастрюли. Каждую ночь «крышка» такой «кастрюли» открывается, и в тёмное небо смотрит фотоэлектронный умножитель — «глаз» обсерватории, который позволяет увидеть черенковское излучение от широкого атмосферного ливня.

Сравните: прорывной научный инструмент, построенный на границе Франции и Швейцарии, работает с энергиями частиц 14 Тераэлектронвольт (ТэВ). То есть, 14×1012 эВ. А эти 175 невзрачных «кастрюлек», расположенных на площади чуть больше квадратного километра, изучают спектр космических лучей с энергиями от 1016 до 1018 эВ. Это частицы, энергия которых в 10 000–1000 000 раз больше! Таких энергий на Земле достичь просто невозможно — придётся строить ускоритель размером больше нашей планеты.

Так что внешний вид «кастрюль» обманчив, это высокотехнологичные научные приборы, которые работают с энергиями, недоступными Большому адронному коллайдеру. А на этом скромном поле астрофизики решают главную загадку — откуда появляются частицы с такой высокой энергией.

Космические лучи проникают внутрь детектора и вызывают импульсы ионного тока

Пока ясно, что они появляются за пределами нашей галактики (для галактических лучей энергии составляют 1015 эВ, и такие частицы рождаются, вероятно, во вспышках сверхновых). Вероятно, такие частицы появляются при падении газа на сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик и выбросах избытка вещества с их полюсов.

И ещё одна загадка, ответа на которую нет пока даже теоретически. Существует так называемый предел Грайзена-Зацепина-­Кузьмина, или в просторечии — ГЗК-предел. Теория предсказывает, что частицы с большими энергиями должны взаимодействовать с реликтовым излучением и терять энергию, уменьшая её до 1019 эВ. Тем не менее, время от времени до Земли долетают частицы, с энергиями в сотню раз больше. Как они появляются? При каких обстоятельствах? Как говорил один герой старого кинофильма — это науке пока неизвестно.

Видимое свечение от излучения Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости ядерного реактора