19.2 Космические лучи

До создания мощных ускорителей заряженных частиц космическое излучение было единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов. Позитрон, мюоны, – мезоны и многие странные частицы были обнаружены в составе космических лучей.

Космические лучи – это потоки атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, в основном протонов, приходящие на Землю из межзвёздного пространства. Обладая колоссальной энергией (в среднем около эВ), частицы космического излучения превосходят по своей проникающей способности все другие виды ядерных излучений.За границами земной атмосферы космические лучи являются первичными и содержат в себе две компоненты – постоянные во времени галактические лучи, приходящие извне в Солнечную систему, а также периодическое солнечное излучение. Интенсивность первичных космических лучей на границе атмосферы (на высоте ~ 50 км) ~ част/(см² с). Состав первичного космического излучения: α-частицы (ядра ) – 7%, протоны – 90% , ядра более тяжелых элементов (Li, Be, C и т.д. до урана U ) ~ 1% , электроны - ~ 1% ,позитроны, -кванты, нейтрино - ~ 1%. Такой состав соответствует средней распространенности элементов во Вселенной.

Большинство частиц имеет энергию больше эВ (1 ГэВ), а энергия отдельных частиц достигаетэВ (максимальная энергия частиц, получаемая на современных ускорителях,эВ, поэтому космические лучи – единственный источник сведений о процессах при сверхвысоких энергиях).

Интенсивность первичных космических лучей на высотах, превышающих 50-60 км над уровнем моря (граница атмосферы), постоянная. По мере приближения к поверхности Земли наблюдается рост интенсивности излучения, обусловленный процессами взаимодействия космических частиц с атомами в атмосфере (главным образом, кислородом и азотом). Исследования показали, что ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер и имеют в своем составе три компоненты: ядерно-активную, «мягкую» (легко поглощаемую) и «жесткую» (проникающую). Рассмотрим их возникновение и состав.

Интенсивность первичных космических лучей на высотах, превышающих 50-60 км над уровнем моря (граница атмосферы), постоянная. По мере приближения к поверхности Земли наблюдается рост интенсивности излучения, обусловленный процессами взаимодействия космических частиц с атомами в атмосфере (главным образом, кислородом и азотом). Исследования показали, что ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер и имеют в своем составе три компоненты: ядерно-активную, «мягкую» (легко поглощаемую) и «жесткую» (проникающую). Рассмотрим их возникновение и состав.

В результате неупругих столкновений космических частиц высокой энергии, например протонов (рис.1), с атомами атмосферы происходит рождение нестабильных элементарных частиц, в основном, π-мезонов (пионов) – заряженных - и - мезонов и нейтральных - мезонов с временем жизни с и с соответственно. Их масса приблизительно равна 280(где- масса электрона).

Нуклоны, π -мезоны, а также другие частицы, участвующие в сильных ядерных взаимодействиях, называют адронами (от греческого слова «адрос», означающего «крепкий» или «сильный»).

Вторичное космическое излучение (рис.1) имеет три компоненты.

1. Ядерно-активная компонента (адронная) состоит из нуклонов, - и - мезонов. Они подобно первичным частицам, взаимодействуют с ядрами атомов элементов воздуха, рождая новые каскады частиц. Каждое их последующее взаимодействие добавляет в каскад новые адроны, которые летят преимущественно по направлению первичной частицы. До уровня моря доходит менее 1 % ядерно-активных частиц, превращаясь в мюоны, нейтрино и – кванты.

2.Мюонно-нейтринная компонента («жесткая») образуется при распаде - _и - мезонов: , . (19.1)

Генерация жесткой компоненты космического излучения в основном происходит в верхних и средних слоях атмосферы первичными космическими частицами с энергией Е эВ. Возникшиемезоны (мюоны) имеют массу покояи время жизниТак как скорости мюонов очень близки к скорости светас, то в соответствии с теорией относительности (следствием из преобразований Лоренца о замедлении времени) среднее время до их распада велико. Кроме того, мюоны в отличие от пионов, слабо взаимодействуют с веществом, поэтому поток мюонов может пройти не только сквозь всю земную атмосферу, но и проникнуть вглубь Земли (максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны, достигает 8600 м).Отличительная особенность нейтрино – огромная проникающая способность. Нейтрино проходят сквозь Землю, практически не взаимодействуя с атомами атмосферы.

3.Электронно-фотонная компонента («мягкая») образуется при распаде мюонов и - мезонов. Общая схема распада мюонов имеет вид: , (19.2)

Имея время жизни с,- мезон практически мгновенно распадается на два γ-кванта электромагнитного поля:. Этот процесс приводит к возникновению ливней электронно-позитронных пар. Фотон (-квант), двигаясь в поле какого-либо ядра, способен превратиться в пару электрон-позитрон: (19.3)

где Х – ядро, в силовом поле которого происходит рождение пары, необходимое, чтобы в процессе одновременно выполнялись законы сохранения энергии и импульса.

В дальнейшем частица – электрон или позитрон(античастица электрона), пролетая вблизи другого ядра, испытывают торможение в поле этого ядра и излучают новый- квант +), который, в свою очередь, образует пару и т.д. Процесс появления новых частиц будет повторяться до тех пор, пока энергии образующихся γ -квантов будет достаточно для образования пар.

Число частиц в каскаде пропорционально энергии первичной частицы. Каскады, образованные частицами с энергией Е эВ, содержат 10⁶-10⁹ частиц /(см² ·c) – они называются широкими атмосферными ливнями.