Обрезание Грайзена-Зацепина-Кузьмина

Обрезание Грайзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК) представляет собой резкое изменение спектра космических лучей (КЛ) на энергии порядка $E 3 ^{15} $ эВ. Этот феномен был впервые обнаружен при изучении потока первичных космических частиц и проявляется в виде «излома» или «сглаженного падения» интенсивности потоков протонов и ядер более высоких порядков.

Ключевой аспект: обрезание ГЗК связано с изменением механизма ускорения и/или ограничения распространения космических лучей в Галактике.

Энергетический диапазон и характеристика спектра

Спектр космических лучей до обрезания описывается степенной функцией:

$$ \frac{dN}{dE} \propto E^{-\gamma_1}, \quad \gamma_1 \approx 2.7 $$

После точки обрезания энергия падает быстрее:

$$ \frac{dN}{dE} \propto E^{-\gamma_2}, \quad \gamma_2 \approx 3.1-3.3 $$

Энергия обрезания (Ek) зависит от типа частиц:

  • Протоны: Ek ∼ 3 ⋅ 1015 эВ
  • Ядра гелия: Ek ∼ 6 ⋅ 1015 эВ
  • Тяжёлые ядра: Ek ∼ Z ⋅ 3 ⋅ 1015 эВ, где Z — заряд ядра

Таким образом, наблюдается зависимость энергии обрезания от заряда ядра, что является одной из ключевых характеристик модели ГЗК.

Физические механизмы обрезания

1. Ограничение ускорения в источниках

Основной механизм связывает обрезание с пределом ускорения частиц в астрофизических источниках (например, сверхновых взрывах). Максимальная энергия достигается, когда длина траектории частицы в ускоряющей среде сравнима с размером ускорителя:

Emax ∼ Z B L β

где:

  • B — магнитное поле источника
  • L — характерный размер ускорителя
  • β — скорость возмущения (например, ударной волны) в единицах c

Для протонов этот предел достигается раньше, чем для тяжёлых ядер, что объясняет постепенное смещение обрезания по массовым числам.

2. Диффузионные потери при распространении

Во время распространения в Галактике частицы испытывают диффузионные процессы в магнитном поле. Вероятность выхода из галактической ловушки увеличивается с энергией, приводя к уменьшению плотности частиц:

$$ \frac{\partial N}{\partial t} = \nabla \cdot (D(E) \nabla N) - \frac{N}{\tau_\text{esc}(E)} + Q(E) $$

где:

  • D(E) ∝ Eδ — коэффициент диффузии
  • τesc ∼ H2/D(E) — время выхода из галактики
  • Q(E) — спектр источника

Высокоэнергетические частицы быстрее покидают Галактику, что создаёт наблюдаемое «срезание» спектра.

3. Комбинированная модель

Современные модели учитывают как ограничение ускорения, так и диффузионные потери. Спектр КЛ выше Ek формируется как результат двух взаимодействующих факторов:

  • Лимит ускорения: частицы не могут достичь более высоких энергий в источнике
  • Энергозависимая диффузия: более высокоэнергетические частицы быстрее теряются из галактики

Эта модель успешно воспроизводит наблюдаемое смещение обрезания по ядерной массе.

Состав космических лучей вблизи обрезания

Наблюдения показывают, что с ростом энергии до Ek состав КЛ постепенно обогащается тяжёлыми ядрами. Это объясняется тем, что протонное обрезание наступает раньше, а ядра с большим Z продолжают накапливаться.

Следствие: спектральное изменение сопровождается изменением состава КЛ, что подтверждается данными с воздушных ионов (EAS — Extensive Air Showers) и нейтронных мониторов.

Моделирование и экспериментальное подтверждение

1. Метод EAS

Большие массивы детекторов (например, KASCADE, Tunka) позволяют реконструировать энергию и массовый состав КЛ через параметры каскада:

  • Размер электронного и мюонного компонентов
  • Глубина максимума развития каскада Xmax

Эти данные указывают на постепенное смещение обрезания к более тяжёлым ядрам с ростом энергии.

2. Непрямые методы

Использование спутниковых и баллонных экспериментов для регистрации первичных частиц (например, AMS, CREAM) подтверждает модель Ek ∝ Z.

3. Теоретическое моделирование

Численные решения уравнения переноса и МК симуляции (Monte Carlo) воспроизводят наблюдаемое сглаженное обрезание и позволяют тестировать различные механизмы ускорения и диффузии.

Основные закономерности и выводы

  • Обрезание ГЗК возникает на энергии E ∼ 3 ⋅ 1015 эВ и смещается к более высоким энергиям для тяжёлых ядер.
  • Энергия обрезания пропорциональна заряду ядра: Ek ∼ Z ⋅ 3 ⋅ 1015 эВ.
  • Физические механизмы включают ограничение ускорения в источниках и энергозависимое распространение через диффузию в галактическом магнитном поле.
  • Наблюдаемый спектр КЛ и состав подтверждаются данными EAS и прямыми измерениями.
  • Современные модели сочетают эффекты ограничения ускорения и потери при распространении, что позволяет точно описывать сглаженное обрезание.

Эта область остаётся ключевой для понимания происхождения и динамики высокоэнергетических космических лучей в Галактике, связывая астрофизические процессы в источниках с наблюдаемыми спектрами на Земле.

Оглавление