Efekty systematyczne w obserwacjach promieni kosmicznych najwyższych energii – wielokrotne rozpraszanie światła

Abstract

Od chwili odkrycia podczas lotu balonowego przez Victora Hessa, promienie kosmiczne nieustanie są przedmiotem badań. Liczne eksperymenty zostały przeprowadzone dla zbadania tych cząstek przybywających do Ziemi z głębi kosmosu. Eksperymenty te z jednej strony poszerzały wiedzę o promieniach kosmicznych, z drugiej zaś, odkrywając część tajemnicy, otwierały pole do dalszych badań. Dziś, po ponad stuleciu od odkrycia, pochodzenie i własności promieni kosmicznych, szczególnie najwyższych energii, ciągle stanowią jedną z największych zagadek astrofizyki. Zakres energii cząstek promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi obejmuje wiele rzędów wielkości: od najniższych energii, rzędu 10 7 eV, aż do najwyższych dotychczas zaobserwowanych, przekraczających 10 20 eV. Ze wzrostem energii cząstek obserwujemy potęgowy spadek ich strumienia (rys. 1), co czyni obserwacje promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach szczególnie trudnym. Dzięki atmosferze powierzchnia Ziemi jest chroniona przed ciągłym bombardowaniem wysokoenergetycznymi cząstkami - oznacza to jednak, że bezpośrednia obserwacja promieniowania kosmicznego wymaga wyniesienia detektorów ponad gęste warstwy atmosfery, przy użyciu balonów lub satelitów. Dzięki takim właśnie eksperymentom własności promieniowania kosmicznego, takie jak skład i wielkość strumienia, zostały określone z dużą dokładnością przy niższych energiach. Jednak ograniczone rozmiary i czas działania detektorów jakie mogą być wyniesione ponad atmosferę, w połączeniu z malejącym strumieniem cząstek, narzucają granice możliwości badań takimi metodami do energii poniżej ∼ 10 15 eV. Detekcja promieniowania kosmicznego o wyższych energiach możliwa jest natomiast pośrednio, poprzez obserwacje kaskad cząstek wtórnych, czyli tak zwanych wielkich pęków atmosferycznych, wywoływanych przez cząstki pierwotne.