Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки

§1. Экскурс в историю развития исследований космических лучей

Для начал напомним, что космические лучи - это поток ядер атомов и элементарных частиц высокой энергии, приходящих на Землю из космоса (первичные космические лучи), а также элементарные частицы, рожденные ими в результате взаимодействий в атмосфере (вторичные космические лучи).

Открытие космических лучей было сделано случайно в том смысле, что никто из физиков не ставил специальной задачи их обнаружить, когда начинал работать с электроскопами — прообразами современ­ных воздушных ионизационных камер. В течение 10-летнего периода, предшествующего открытию, многие физики наблюдали слабую иони­зацию воздуха при отсутствии каких-нибудь внешних источников ионизации: в 1900г.— немецкие ученые Ю. Эльстер и Г. Гейтель и английский ученый Ч. Т. Вильсон, в 1903 г.— Э. Резерфорд и Г. Кук, в 1909—1911 гг.— немецкий физик Т. Вульф, шведский метеоролог А. Гоккельидр. Доказал внеземное происхождение источника иониза­ции воздуха австрийский физик В. Ф. Гесс после совершения в 1911—1912 гг. семи полетов на воздушных шарах, в гондоле которых находи­лись герметические электрометры, поднявшись в последнем рекордном полете на высоту 5350 м. Измерения Гесса показали, что ионизация воздуха плавно уменьшается вплоть до высоты 1000 м над уровнем моря, а затем начинает медленно расти и на высотах 3000—4000 м уже превышает ионизацию на уровне моря.

Результаты Гесса подверг критике немецкий физик В. Кольхёрстер, который отрицал гипотезу о внеземном происхождении источни­ка ионизации воздуха. В 1913—1914 гг. он совершил пять полетов на воздушных шарах, достигнув высоты 9300 м. С помощью самой совер­шенной по тому времени ионизационной камеры Кольхёрстер, напере­кор своим убеждениям, подтвердил и уточнил данные Гесса. Окон­чательно доказал внеземное происхождение космических лучей Р. А. Милликен (США), тоже не веривший выводам Гесса, который в серии опытов 1923—1926 гг. применил метеорологические баллоны, оснащенные необходимой аппаратурой для автоматических измерений поглощения космических лучей атмосферой Земли. Он же ввел термин космические лучи. Применение шаров—зондов позволило Милликену достичь высоты 15500 м. Датой открытия космических лучей приня­то считать 1912 г., а Гесса — первооткрывателем их, что выразилось официально в присуждении ему Нобелевской премии по физике в 1936 г. В 1925 г. Л. В. Мысовский и Л. Р. Тувим (СССР), Р. А. Милликен и Дж. Камерон (США) независимо изучали поглощение космических лучей в озерной воде и показали существование проникающего излу­чения. В том же году Г. Гофман (Германия) обнаружил наличие мяг­кой компоненты в космических лучах на уровне моря, но выводы о су­ществовании мягкой и жесткой компонент в космических лучах были сделаны много позже. В 1923—1927 гг. советский физик Д. В. Ско­бельцын изучал эффект Комптона в камере Вильсона. После помеще­ния в 1925 г. Скобельцыным этой камеры в магнитное поле возникла принципиально новая методика в физическом эксперименте, которая позволила ему обнаружить в 1927 г. «ультра-бета-частицы», иногда появлявшиеся в камере группами до трех штук. Работа Скобельцына не опровергала бытовавшую тогда гипотезу о фотонной природе кос­мических лучей, но дала мощный толчок к изучению механизма их поглощения.

Нидерландский физик Якоб Клей в 1927 г. возвращался пароходом в Голландию с о. Ява, имея при себе ионизационную камеру, и обнару­жил широтный эффект космических лучей: уменьшение их интенсив­ности при приближении к экватору на 10—15 % по сравнению со сред­ними широтами. Результат Клея означал, что первичное космическое излучение, входящее в атмосферу Земли, является заряженным. Дан­ные Клея были объяснены немецкими физиками В. Боте и В. Кольхёрстером, применившими в 1929 г. вертикальный телескоп газораз­рядных счетчиков Гейгера—Мюллера, изобретенный за год до этого для регистрации космических лучей. Два счетчика были окружены со всех сторон и отделены друг от друга слоем защиты, но регистрировали, по мнению авторов, одновременные прохождения заряженных частиц. В 1930 г. итальянский физик Б. Росси, работавший в Германии, приме­нил схему совпадений для регистрации одновременных событий в трех газоразрядных счетчиках. Новая методика стала впоследствии мощным инструментом в физических исследованиях. В частности, она позволи­ла Росси в 1932 г. увидеть наличие мягкой и жесткой компоненты в космических лучах. Накопление экспериментальных данных стиму­лировало развитие теории. В 30-е годы стала бурно развиваться кван­товая электродинамика, опережая эксперимент на некоторых направ­лениях и обогащая его. В 1929 г. была развита теория комптоновского рассеяния фотонов О. Клейном (Швеция) и И. Нишиной (Япония), в которой учитывались состояния с отрицательной энергией, введенные П. Дираком (Англия) в 1928 году. В 1932 г., при помощи камеры Вильсона, помещенной по методу Скобельцына в магнитное поле, К. Д. Андерсон (США) обнаружил в космических лучах позитрон, предсказанный Дираком. В 1930—1932 гг. немецкий физик X. А. Бе­те, эмигрировавший из Германии в 1933 г., и в 1933 г. Ф. Блох (США) получили формулу для ионизационных потерь заряженных частиц, что облегчило интерпретацию результатов Росси 1932 г. X. А. Бете и В. Гайтлер (Англия) в 1934 г. разработали теорию радиационных процессов и получили формулы для вычисления эффективных поперечных сечений тормозного излучения электрона и образования гамма-квантом электрон-позитронных пар. В 1935 г. П. Оже (Франция).и Б. Рос