История изучения космических лучей

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911-1912 годах был проведен ряд экспериментов на воздушных шарах, когда австрийский физик Гесс поднялся с электроскопами на воздушном шаре для исследования ионизации воздуха. О степени ионизации он судил по скорости разряда электроскопов. Чтобы чувствительность электроскопов не менялась с высотой, они были герметизированы, так что плотность воздуха в них оставалась постоянной. Еще до Гесса аналогичные опыты производились Гоккелем, поднимавшимся на высоту 4000 м над уровнем моря. Но результаты его опытов были сомнительны и подверглись критике, так как он применял прибор, давление воздуха внутри которого изменялось при изменении наружного давления, а поправок он не вводил. Для того чтобы выяснить, насколько обоснованной была эта критика, Гесс наряду с герметизированными электроскопами, захватил и негерметизированный электроскоп.

Еще к 1902 г. было установлено, что сухой воздух в герметически закрытом сосуде всегда слабо ионизирован, даже после того, как совершенно распались газообразные радиоактивные вещества, содержащиеся в нем в ничтожных количествах. Если окружить сосуд свинцовой оболочкой с толщиной стенок около 2-3 см для защиты его от внешнего ионизирующего излучения, то ионизация значительно уменьшается, но не исчезает полностью. Это заставляет предположить, что источники излучения, вызывающего ионизацию, находятся вне сосуда, в котором заключен воздух.

Наряду с другими предположениями было высказано и предположение, что ионизация вызывается излучением радиоактивных веществ, всегда имеющихся в небольших количествах в почве, горных породах, воде и пр. Если бы это было так, то ионизация воздуха убывала бы с высотой.

Для проверки этого заключения Гесс и совершил свой полет на воздушном шаре. Он обнаружил, что при подъеме на первоначальные 600 м над уровнем моря ионизация воздуха действительно убывала, хотя и медленнее, чем это ожидалось. Но начиная с высоты 600 м она стала возрастать - сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На высоте 4800 м ионизация стала примерно в четыре раза больше, чем на уровне моря. Гесс пришел к заключению, что результаты его наблюдений лучше всего объясняются предположением, что на границу земной атмосферы из мирового пространства падает излучение очень большой проникающей способности.

Кольхерстер, многократно поднимавшийся на воздушных шарах, и другие ученые в опытах с электроскопами и ионизационными камерами подтвердили результаты наблюдений Гесса и обнаружили дальнейшее увеличение ионизации воздуха с высотой. На высоте 8400 м ионизация оказалась приблизительно в 10 раз больше, чем над уровнем моря. Тем самым было подтверждено предположение Гесса о внеземном происхождении ионизирующего излучения. Окончательно справедливость этого предположения была к концу 1926 г. доказана Милликеном, осуществившим в 1923-1926 гг. серию опытов по поглощению такого ионизирующего излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения. Оказалось, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.

Большой вклад в изучение космических лучей внес в начале 20-х годов русский физик Д.В. Скобельцын, который с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, не только подтвердил вывод Милликена о том, что космические лучи состоят из заряженных частиц, но и впервые обнаружил группы частиц с высокой энергией, получивших в дальнейшем название атмосферных ливней, образуемых космическими лучами. Опыты Д.В. Скобельцына заслуженно рассматриваются как зарождение нового направления в физике - физики высоких энергий, давшей многочисленные блестящие открытия в XX веке. Среди этих открытий можно выделить ряд принципиальных для физики микромира:

- открытие Андерсоном (1932 г.) в космических лучах позитрона;

- открытие Андерсоном и Неддермейером в космических лучах (1937 г.) мюона и указание его типа распада;

- открытие в космических лучах π-мезонов (Пауэлл, 1947 г.); открытие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц - гиперонов (1955 г.);

- появление в опытах с космическими лучами квантовой характеристики «странность».

Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.

Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям - обнаружению радиационных поясов Земли (1958 г., С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков и, независимо от них в том же году, Ван-Аллен), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

В настоящее время широкий спектр вопросов, изучаемых физикой космических лучей, можно разделить по следующим основным направлениям:

1. Проблемы собственно ядерной физики и физики элементарных частиц, сейчас уже в области сверхвысоких (> 10¹² эВ) энергий, поскольку появились ускорители с энергией в тысячи ГэВ;

2. Явления, связанные с взаимодействием космических лучей с космическими объектами, планетами, их атмосферой и магнитными полями;

3. Процессы рождения космических лучей и их ускорения в космическом пространстве.