Космические лучи как термометр и магнитный компас экспресс
Каждую секунду из космоса в атмосферу Земли врезаются невидимые частицы — космические лучи. Сталкиваясь с молекулами воздуха, они рождают ливни вторичных частиц, среди которых особенно много мюонов. Мюон — тяжёлый родственник электрона, который живёт всего пару микросекунд, но успевает долететь до земли. В обсерватории GRAPES-3 на юге Индии стоит гигантский телескоп площадью 560 квадратных метров, который считает эти мюоны круглосуточно. За сутки набегает около четырёх миллиардов частиц — статистика настолько точная, что часовые колебания потока заметны на уровне сотых долей процента.
Оказалось, мюоны — отличные термометры. Когда верхние слои атмосферы (выше 20 километров) нагреваются, воздух расширяется, и мюонам приходится пробиваться сквозь большее количество вещества. Часть из них распадается по дороге, и поток у земли слабеет. И наоборот: холодная стратосфера сжимается, и мюонов доходит больше. За 22 года наблюдений — с 2001 по 2022 — учёные сравнили поток мюонов с данными о температуре из метеорологической базы MERRA-2. Выяснилось, что потепление верхней атмосферы на один градус уменьшает поток мюонов на 0,22 процента.
Второй фактор — межпланетное магнитное поле, которое создаётся солнечным ветром. Спутники ACE и WIND, висящие в точке Лагранжа L1 между Землёй и Солнцем, непрерывно меряют это поле. Оказалось, что усиление поля на один нанотесла (примерно в сто тысяч раз слабее магнита на холодильнике) снижает поток мюонов на 0,57 процента. Это как если бы огромный невидимый щит то появлялся, то исчезал перед Землёй, меняя количество долетающих частиц.
Практическая польза очевидна: вместо дорогих спутников для мониторинга стратосферы и космической погоды можно использовать наземные мюонные телескопы. Они работают непрерывно, не боятся облаков и дают данные каждые несколько минут. Так физика частиц превращается в службу погоды — только погоды на высоте 30 километров и в миллионах километров от Земли.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.11847
We study the influence of variations in the upper atmospheric temperature and interplanetary magnetic field on the cosmic ray induced atmospheric muon flux measured by the GRAPES-3 experiment over 22 years (2001--2022) of data; spanning three solar cycles: the declining phase of Solar Cycle 23, the full Cycle 24, and the rising and maximum phases of Cycle 25. Located in Ooty- India, the GRAPES-3 large area (560\,$$m^2$$) muon telescope detects $$\sim$$4 billion muons daily above 1\,GeV, with an angular resolution of $$\sim$$4$$^\circ$$, enabling a statistical precision $$<$$0.01\% on the hourly muon rate. After accounting for the effect of atmospheric pressure variations, we compare this data with the upper atmospheric temperature inferred from NASA's MERRA-2 dataset as well as magnetic field data from the ACE and WIND spacecraft at Lagrange point L1. A simultaneous iterative fitting method employing Fast Fourier Transforms and a narrow band-pass filter reveals the temperature and magnetic field coefficients to be $$\alpha_T=-\,0.2241\,\pm\,0.04\, (stat.)\,\pm\,0.0220\, (syst.)\,\%\,K^{-1}$$ and $$\gamma_{M}=-\,0.574\,\pm\,0.027\, (stat.)\,\pm\,0.011\, (syst.)\,\%\,\text{nT}^{-1}$$, respectively, for an assumed hadronic attenuation length $$\lambda$$=120 g cm$$^{-2}$$, underscoring the potential of the GRAPES-3 muon telescope to serve as a real time monitor of the upper atmospheric temperature or interplanetary magnetic field.
Мюоны рождаются на высоте около 15 километров, но из-за релятивистского замедления времени успевают долететь до поверхности, хотя без этого эффекта распались бы уже через 600 метров.