Широкие атмосферные ливни (ШАЛ) представляют собой каскадные процессы, инициируемые высокоэнергичными космическими лучами при их взаимодействии с молекулами верхней атмосферы. Это сложное многоступенчатое явление, играющее ключевую роль в изучении высокоэнергичной космической материи и свойств элементарных частиц при энергиях, недостижимых в современных ускорителях.
Основу ШАЛ составляет первичный акт взаимодействия космической частицы (протон, α-частица или ядро тяжёлого элемента) с ядрами атомов воздуха, преимущественно азота и кислорода. Это взаимодействие происходит на высотах порядка 15–30 км над уровнем моря, при типичных энергиях первичных частиц от 10¹⁴ до 10²⁰ эВ. В результате этого столкновения возникает большое число вторичных частиц — в первую очередь пионов (π⁺, π⁻, π⁰), каонов, гиперонов и других адронов. Эти частицы инициируют развитие каскада, формирующего ШАЛ.
Широкий атмосферный ливень условно делится на несколько компонент, каждая из которых обусловлена разными физическими процессами:
Является наиболее многочисленной. Возникает преимущественно из распада нейтральных пионов:
π0 → γ + γ
Испущенные фотоны инициируют электромагнитный каскад, включающий процессы:
Электромагнитная компонента достигает максимума плотности на глубине порядка 600–800 г/см² в атмосфере и доминирует на больших расстояниях от оси ливня.
Результат распада заряженных пионов и каонов:
π± → μ± + νμ
K± → μ± + νμ
Мюоны слабо взаимодействуют с веществом и способны достигать поверхности Земли и даже проникать в глубины под землю на десятки метров. Они представляют особый интерес для изучения глубинных взаимодействий и являются важными индикаторами характеристик первичной частицы.
Включает оставшиеся после взаимодействий нуклоны, пионы, каоны и другие адроны. Она несёт значительную долю энергии и ответственна за поддержание каскада в его развитии. Адронные взаимодействия происходят на протяжении всей цепи ШАЛ и лежат в основе генерации электромагнитной и мюонной компонент.
Рождаются в распадах мюонов и других нестабильных частиц. Из-за крайне слабого взаимодействия с веществом регистрируются лишь специализированными подземными или подледными детекторами, но играют важную роль в энергетическом балансе ливня.
Продольное развитие ливня описывается числом частиц в зависимости от атмосферной глубины (г/см²). Характеризуется параметром Xmax — глубиной максимального развития ливня. Значение Xmax зависит от энергии и массы первичной частицы: у лёгких частиц (например, протонов) оно больше, чем у тяжёлых (например, железа), и увеличивается с ростом энергии.
Поперечное распределение плотности частиц описывается функцией Ландо-Сакса, Нишимуры-Каматы-Грейсера (NKG-функция). Электроны и фотоны имеют более широкое распределение, мюоны — более узкое и концентрированное ближе к оси. Наблюдаемая форма профиля несёт информацию об угле вхождения и типе первичной частицы.
Общая энергия, содержащаяся в ШАЛ, может достигать 10²⁰ эВ и выше. Распределение энергии между компонентами примерно следующее:
Энергетическое насыщение каждой компоненты и её пространственно-временное распределение используются для реконструкции свойств первичного космического луча.
ШАЛ характеризуются малым углом рассеяния частиц от начального направления движения. Тем не менее, за счёт взаимодействий и процессов множественного рождения частиц формируется широкий конус, охватывающий радиус до нескольких километров у поверхности Земли. Временная структура ливня отражает задержки, вызванные различием в путях и скоростях различных частиц. Мюоны, будучи более проникающими, приходят почти синхронно с электромагнитной компонентой, в то время как фотоны и электроны дают более широкую растяжку во времени.
Для регистрации ШАЛ применяются наземные, подземные и воздушные установки. К основным методам относятся:
Регистрируют заряженные частицы по световому импульсу, испускаемому при прохождении частиц через сцинтиллятор. Позволяют оценить плотность и временную структуру ливня.
Фиксируют Черенковское излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися быстрее света в среде. Используются как в атмосфере (оптические телескопы), так и в воде или льду (глубинные установки, например, IceCube).
Основаны на регистрации радиоволн, возникающих при прохождении ливня через атмосферу за счёт ускоренного движения электронов в магнитном поле Земли (геосинхротронное излучение).
Наблюдают ультрафиолетовое свечение молекул воздуха, возбуждаемых заряженными частицами. Позволяют реконструировать продольный профиль ливня с высокой точностью, особенно в сочетании с наземными установками (гибридные обсерватории).
Точное воспроизведение ШАЛ требует сложных монте-карло моделей, включающих:
Среди наиболее известных пакетов моделирования — CORSIKA, AIRES, EPOS, QGSJET, SIBYLL. Эти модели используют различные параметризации сечений, механизмов рождения и распада частиц, что влияет на предсказания параметров ливня. Сравнение симуляций с экспериментальными данными позволяет уточнять физические модели на энергиях, недостижимых в лабораториях.
ШАЛ предоставляют уникальную возможность изучения свойств элементарных частиц на энергиях, превышающих возможности коллайдеров. В частности:
Современные крупномасштабные установки, такие как Pierre Auger Observatory, Telescope Array, Yakutsk Array, LOFAR, обеспечивают всё более высокую точность в измерениях параметров ШАЛ, позволяя расширять границы знаний в области физики космических лучей и фундаментальных взаимодействий.