Космические лучи

Космические лучи (далее К) поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К — уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвездной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10⁹ эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 10²⁰—10²¹ эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц К были единственным источником частиц высоких энергий. В К были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 10¹¹—10¹² эв, К по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при еще более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К приходит к Земле извне Солнечной системы — из окружающего ее галактического пространства (Галактики), т. н. галактические К, и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (<1 Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>10¹⁷эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики).

Общий поток энергии, приносимой К на Землю (~0,01 эрг на 1 см² в 1 сек), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звезд. Однако не исключено, что в далеком прошлом К сыграли определенную роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К велика (~ 1 эв/см³) — порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (гравитации), полей, кинетической энергии движения межзвездного газа, энергии электромагнитного излучения звезд. Поэтому К могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

В физике К четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К; генерация и распространение солнечных и галактических К; изменение во времени интенсивности К и взаимодействие К с магнитосферой Земли, с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Все более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далекие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К, носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров £10^-13 см), так и для развития физики космоса (10⁸—10²⁸ см).

Открытие и основные этапы исследования К Существование К было установлено в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К в Вильсона камере, помещенной в поле лабораторного (Д. В. Скобельцын, 1927), и отклонения их в поле Земли с помощью газоразрядных счетчиков, поднимаемых в стратосферу на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен, 1935—37), доказали, что первичные К представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер При этом были измерены и энергии большей части К (до 15 Гэв). С помощью ядерных фотографических эмульсий, поднятых на высоту ~ 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К были обнаружены следы ядер более тяжелых элементов, чем вплоть до ядер (рис. 1).

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона, L-гиперона (1932—49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения — т. н. ливни. В опытах 1945—49 на высокогорных станциях К (В. И. Векслер, Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К с ядрами воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (³10¹⁴ эв) объясняет развитие открытых ранее в К (П. Оже, 1938) широких атмосферных ливней — потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км² и более.

Для правильного подхода к проблеме происхождения К большую роль сыграли успехи радиоастрономии. Связанное с К нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звездах как одном из основных галактических источников К

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50—60-е гг. обширная мировая сеть станций К (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации К

Новые возможности прямого изучения первичных К в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъемом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного на спутниках серии "Протон" был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных К до энергии ~10¹⁵ эв (советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965— 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском "Луноходе-1" (1970—71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности К. л, за пределами Земли,

Первичные галактические К Геомагнитные эффекты. Все экспериментальные данные согласуются с тем, что поток первичных К, летящих к Земле из Галактики, с высокой степенью точности (~0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления. Попадая в поле Земли, заряженные частицы космического излучения отклоняются от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца силы). Поэтому интенсивность К и их энергетический спектр в околоземном пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода К Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем больше угол J между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля, т. е. чем меньше геомагнитная широта j места наблюдения. Т. о., при одной и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях и минимально вблизи полюсов. У экватора этот "геомагнитный барьер" не пропускает к Земле летящие перпендикулярно ее поверхности протоны с энергией меньше ~15 Гэв и ядра с энергией ~7,5 Гэв на нуклон (протон пли нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия частиц быстро уменьшается (~cos⁴j), и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду с регулярной широтной зависимостью на интенсивности К заметно сказываются аномалии геомагнитного поля (особенно в районе Южной Атлантики). В результате распределение интенсивности К по земному шару имеет довольно сложный характер (рис. 2). В полярных областях (j³ 60°) интенсивность К у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной активности около 0,4 частицы на 1 см² в 1 сек в единице телесного угла.

С ростом энергии К их интенсивность сначала медленно, а затем все более резко уменьшается (рис. 3, а). При энергиях 10¹⁰—10¹⁵ эв поток частиц с энергией выше некоторой заданной энергии E (интегральный спектр) падает по закону ~ E^-1,7 (рис. 3, б). В области энергий > 10¹⁵ эв единственным источником сведений об энергетическом спектре К (рис. 3, е) являются данные по широким атмосферным ливням (см. ниже): этот спектр уже нельзя представить единым степенным законом, что может объясняться примесью метагалактических К

Более 90% частиц первичных К всех энергий составляют протоны, примерно 7% — a-частицы и лишь небольшая доля (~ 1%) приходится на ядра элементов более тяжелых, чем и Несмотря на это, ядра с Z > 1 несут около 50% всей энергии К Уменьшение распространенности с ростом номера элемента в К идет медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще. Особенно велико в К содержание ядер легких элементов , , В, естественная распространенность которых чрезвычайно мала (£ 10^-7%). Имеется также избыток тяжелых ядер (Z ³ 6). Из этого следует, что в источниках К преобладает ускорение тяжелых ядер, а более легкие ядра возникают за счет расщепления тяжелых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвездным веществом. В период 1966—71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных заряженных частиц в К обнаружены ядра значительно тяжелее — вплоть до а возможно и еще более тяжелые, причем их потоки падают с ростом Z примерно как Z^-7— Z^-8. В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэв на нуклон) ядерный состав К таков: протоны — около 92%, a-частицы — около 7%, ядра с Z = 3—5 — около 0,1—0,15%, с Z = 6—9 — около 0,5% с Z = 10—15 — около 0,1—0,15%, с Z = 16—25— около 0,04%, с Z = 26 ( — 0,025%, с Z > 30— ~10^-5%.

По содержанию в К , , В, которых нет в источниках (эти элементы быстро выгорают в результате протекающих в звездах термоядерных реакций) и которые образуются только в результате фрагментации, было оценено среднее количество вещества, через которое проходят К на пути от источников до Земли; оно оказалось равным 3—5 г/см². Отсюда, если известна средняя плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый К в Галактике, и среднее время жизни К (см. ниже).

В состав первичных К входят также электроны и позитроны (~1%) и фотоны высоких энергий — g-кванты (~0,01% при энергиях > 100 Мэв). Несмотря на незначительную долю в К, g-кванты представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь полями межзвездного пространства, они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники К Найдено уже около 20 таких источников. Из них наиболее интересен пульсар 0532 в Крабовидной туманности, дающий поток g-квантов 0,1—0,5 на 1 м² в 1 сек и являющийся одновременно мощным пульсирующим источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток -l квантов из центра Галактики с интенсивностью ~ 1 частица на 1 м² в 1 сек в расчете на единицу телесного угла.

Внутри Земли, на высотах ³ 1000 км от земной поверхности, помимо потока К, присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов, захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли. Происхождение внутренней области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком (альбедо) нейтронов, выбиваемых К из ядер составляющих атмосферу Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке Земли.

Солнечные К Наиболее сильные возрастания интенсивности К в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных К во время некоторых вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьезную угрозу безопасности космических полетов. Поэтому очень важны систематические наблюдения вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полетов.

В среднем вклад солнечных К в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

состав солнечных К очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактич. К, в них отсутствуют ядра , , В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К, чрезвычайно мало (< 0,1 г/см²) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных К по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию ее нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях — к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К, их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных К на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причем его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4).

Модуляция галактических К солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактич. К главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и "выметанием" К галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300—500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли (на десятки астрономических единиц (а. е.); 1 а. е. " 150 млн. км), постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущенным галактическим полем (рис. 4). Согласно данным о двух последних циклах (1948—59 и 1959—70), интенсивность К вблизи границы земной атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2—2,5 раза по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций К оказывается гораздо меньшей (рис. 5).

Существуют и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактич. К, обусловленные различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных свойств среды, в которой распространяются К Совокупность сведений о модуляционных эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные размеры области модуляции К солнечным ветром составляют 2—5 а. е.

Происхождение и возраст галактических К. л. Основным источником К считаются взрывы сверхновых звезд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий ~ 10¹⁵ эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения К от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе. Свойства этого излучения таковы, что его следует приписать синхротронному излучению ( излучению) — излучению быстрых электронов в полях, "вмороженных" в потоки звездной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать радиоизлучение и от других, более далеких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже g-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до ~ 10¹² эв). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжелых заряженных частиц — протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в полях). При этом чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (т. н. инжекция): тяжелые ядра могут находиться в неполностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в полях, что облегчает их "утечку" за пределы плотной оболочки звезды (в которой поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30—50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10⁵¹—10⁵² эрг, или 10⁶³—10⁶⁴ эв) и предположить, что ~ 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии К (~ 1 эв/см³), так и отсутствие заметных колебаний потока К

Методами радиоастрономии были зарегистрированы и еще более мощные источники К (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, интенсивно излучающие квазизвездные объекты малой протяженности — квазары, ядра некоторых галактик, испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

Ускоренные в галактических источниках тяжелые заряженные частицы распространяются затем по сложным траекториям в межзвездном пространстве, где на них действуют слабые ((3—6)10^-6 гс) нерегулярные и неоднородные поля облаков межзвездной плазмы. Заряженные частицы "запутываются" в этих полях (напряженность которых значительно повышается в областях спиральных рукавов Галактики, одновременно с увеличением концентрации межзвездной плазмы). При этом движение К носит характер диффузии, при которой частицы с энергиями до 10¹⁷—10¹⁸ эв могут удерживаться в пределах нашей Галактики в течение десятков млн. лет. Диффузионное движение частиц К обусловливает практически полную изотропию их потока. Лишь при более высоких энергиях радиусы кривизны траекторий частиц (особенно протонов) становятся сравнимыми с размерами галактик и происходит интенсивная "утечка" К в метагалактическое пространство. Несмотря на высокую степень разреженности вещества, длительные странствия частиц в Метагалактике приводят к потерям энергии в новых процессах — фотоядерных реакциях на фоновом электромагнитном излучении (оно называется реликтовым излучением), оставшемся от ранних стадий расширения некогда горячей Вселенной. Наличие этого процесса сильно снижает вероятность того, что наиболее энергичная часть спектра К обусловлена метагалактической компонентой.

Принципиально новые возможности экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра К (вплоть до энергий 10²⁰—10²¹ эв) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов — пульсаров. По современным представлениям, пульсары — это небольшие (~ 10 км в диаметре) нейтронные звезды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного) неустойчивых звезд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), поля (до 10¹³ гс) и скорости вращения (до 10³ оборотов в сек). Все это создает благоприятные условия для ускорения тяжелых заряженных частиц до исключительно высоких энергий ~ 10²¹ эв и электронов до энергий ~ 10¹² эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и g-излучение, которые можно объяснить только процессом излучения очень быстрых электронов. Т. о., синхротронное излучение электронов К, обусловленное сильными полями, локализованными вблизи неустойчивых "горячих" объектов — источников К, позволяет решать проблему происхождения К методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии, гамма-астрономии).

Важную дополнительную информацию об источниках и возрасте К дают исследования ядерного состава К Из небольшого относительного содержания в К ядер следует, что радиоактивный изотоп ¹⁰Ве (среднее время жизни которого около 2 млн. лет) успевает практически полностью распасться, откуда получается оценка верхнего предела возраста К 20—50 млн. лет. Примерно того же порядка (10—30 млн. лет) оценки получаются из относительного содержания группы легких ядер (, , В) в целом, а также по среднему времени, которое требуется электронам К для диффузного распространения от внутригалактических источников до границ Галактики. Анализ состава сверхтяжелой ядерной компоненты (Z > 70) дает средний возраст К не более 10 млн. лет.

Еще один способ проверки различных гипотез происхождения К — измерение интенсивности К в далеком прошлом, в частности в периоды известных вспышек ближайших сверхновых (например, вспышки в 1054). Существуют два метода, с помощью которых можно было бы обнаружить эффекты возрастания интенсивности К в прошлом не только в результате взрыва сравнительно недалеких от Солнечной системы сверхновых звезд, но и в результате возможных гораздо более мощных взрывных процессов в ядре Галактики. Это радиоуглеродный метод, в котором по концентрации изотопа ¹⁴С в различных годичных кольцах очень старых деревьев определяют темп накопления в атмосфере ¹⁴, образующегося в результате ядерных реакций под действием К, и метеоритный метод, основанный на изучении состава стабильных и радиоактивных изотопов метеоритного вещества, подвергавшегося длительному воздействию К. л Эти методы свидетельствуют о том, что средняя интенсивность К сравнительно мало отличалась от современной в течение десятков тысяч и миллиарда лет соответственно. Постоянство интенсивности К в течение миллиарда лет делает маловероятной гипотезу о происхождении всех К в процессе взрыва ядра нашей Галактики, который считается ответственным за образование галактического гало (пока не доказанного прямыми наблюдениями).

Взаимодействие К с веществом.

1. Ядерно-активная компонента К- л. и множественная генерация частиц. При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К высокой энергии (~ несколько Гэв и выше) с ядрами земной атмосферы (главным образом и происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. множественные процессы), в основном p-мезонов (пионов) — заряженных (p⁺, p^-) и нейтральных (p⁰) с временами жизни 2,5×10^-8 сек и 0,8×10^-16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5—10 раз) рождаются К-мезоны и с еще меньшей — гипероны и практически мгновенно распадающиеся резонансы. На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или p-мезона) с легким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E^1/3 (вплоть до E " 20 Гэв), а затем (в области энергий 2×10¹⁰—10¹³ эв) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ³ 10¹⁴ эв.

Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300—400 Мэв/с, где с — скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с ее кинетической энергией, импульс частицы р = E/c; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с).

Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов ~ 90 г/см² воздуха, т. е. ~9% всей толщи атмосферы. С ростом веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А^1/3), достигая ~ 160 г/см² для Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20—30 км), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7, кривая 1), и на уровне моря (~1000 г/см²) остается менее 1% ядерно-активных частиц.

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных К. л. Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (g) каждый: p°®2g. Этот процесс дает начало электронно-фотонной компоненте К (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e^- e⁺(g®e^-+e⁺), а электроны и позитроны, в свою очередь, путем тормозного излучения испускают новые фотоны (е^±®е^±+ g) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц — к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии p⁰ на все большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (~ 120 г/см²), происходит ее постепенное затухания (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию воздуха и комптоновское рассеяние (см. Комптона эффект); увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь экран толщиной 10—20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведен на рис. 8.

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества — т. н. каскадная кривая (рис. 9). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

Наряду с p°-мезонами в К существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и g-кванты высокой энергии (> 100 Мэв) первичных К, а также d-электроны, т. е. электроны, выбиваемые за счет прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц К

При очень высоких энергиях (³ 10¹⁴ эв) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению — на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2—3) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это дает возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы "предков" этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова — Вавилова излучения, поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрич. диполя.

3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием К заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях — до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях £ 10¹² эв.

Заряженный пион (с энергией £ 10¹¹ эв) распадается на мюон m^±(заряженную нестабильную частицу с массой покоя m_m "207 me, где me — масса электрона, и средним временем жизни t₀ " 2×10^-6 сек) и нейтрино n (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), нейтрино и антинейтрино. Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада t достаточно велико — пропорционально полной энергии E, t =

. Кроме того, мюоны, не являясь ядерно-активными частицами, слабо взаимодействуют с веществом (посредством электромагнитного взаимодействия) и теряют свою энергию в основном на ионизацию (~ 2 Мэв на толщине 1 г/см²). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту К Даже при сравнительно умеренной энергии ~ 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3), но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10). Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют "скелет" широких атмосферных ливней на больших (сотни м) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счет распада p⁰) его "обрастание" электронно-фотонной компонентой, а также (за счет распадов p⁺ и p^-) — проникающей мюонной компонентой (рис. 11).

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв) делает проникающую компоненту К очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12). Измеряя интенсивность К телескопом счетчиков в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нем сооружений.

При энергиях порядка 10¹² эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся все более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ³ 8 км водного эквивалента под углами ³ 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей — нейтринной — компоненты К Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения "прозрачности" вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 10¹⁰ эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 10¹⁵ эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6×10^-17 см).

Измерения потоков солнечных нейтрино значительно более низких энергий (~ 1 Мэв) позволят подойти к решению и другой, космофизической, проблемы нейтринной физики. Это связано с использованием огромной проникающей способности нейтрино для косвенного измерения температуры недр Солнца, от которой зависит характер протекающих в нем ядерных реакций — основного источника солнечной энергии (см. Нейтринная астрономия).

Проблемы и перспективы. Дальнейшее изучение К в лабораториях и на космических станциях продолжается в двух направлениях. На космофизическом направлении выясняется природа тех основных процессов, в которых может происходить ускорение частиц до высоких и сверхвысоких энергий (в сверхновых звездах, пульсарах, отчасти на Солнце), а также свойства межпланетной и межзвездной среды по вариациям интенсивности К, особенностям их состава, углового и энергетического распределения. Особенно большие надежды возлагаются на исследования в области рентгеновской и гамма-астрономии в тесной связи с радиоастрономическими и астрономическими наблюдениями возможных источников К

Интересен также вопрос о роли нейтрино как одной из компонент первичных К при энергиях ³ 10²⁰ эв. Возникновение широких атмосферных ливней столь высоких энергий уже трудно объяснить заряженными частицами, ускоряемыми в пределах нашей Галактики, а частицы межгалактического происхождения не могут набрать таких энергий из-за столкновений с фотонами реликтового излучения, заполняющего Метагалактику. Поэтому приходится учитывать возможность непрерывного роста непрозрачности вещества (в частности, атмосферного воздуха) для потоков космического нейтрино, которые в этом случае смогли бы стать "предками" самых мощных широких ливней.

Делаются попытки окончательно решить неясную пока проблему существования файрболов — гипотетических частиц (с массами ~ 3—5 Гэв, а иногда и значительно выше), почти мгновенно распадающихся после своего рождения на отдельные частицы (в основном пионы) по законам статистической физики. Далеко не закончены дискуссии о степени применимости описания множественного рождения частиц моделями гидродинамических и термодинамических типов, в которых образуемая при ядерных столкновениях высоковозбужденная "адронная материя" с неопределенным числом частиц расширяется вплоть до ее распада на отдельные свободные частицы.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М.. 1963; Дорман Л. И., Мирошниченко Л. И., Солнечные космические лучи, М., 1968; Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И., К в поле Земли, М., 1971; Мурзин В. С., Сарычева Л. И., К и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии, М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., К, пер. с англ., М., 1966; Добротин Н. А., К, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы высоких энергии, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей, М., 1968.

Г. Б. Жданов.

		Новости 21.11.2024 11:56:01

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.