МУ-Я-62 (Космические лучи)

1Московский государственный технический университет им. Н.Э.БауманаН.К. Веретимус, И.Н. ФетисовКосмические лучиМетодические указания к лабораторной работе Я-62по курсу общей физикиМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.Баумана20082Цель работы – ознакомление с космическими лучами (КЛ),взаимодействиями и превращениями элементарных частиц, иccледованиепоглощения КЛ в веществе, разделение излучения на мягкую и жесткуюкомпоненты.Теоретическая часть1.

Космофизический аспектКосмические лучи – поток элементарных частиц и атомных ядервысокой энергии, приходящих на Землю из космического пространства(первичные КЛ) [1-4]. В результате взаимодействия КЛ с атомами атмосферыобразуются вторичные КЛ, в которых присутствуют практически всеэлементарные частицы. В исследовании КЛ четко выделяются два аспекта –космофизический и ядернофизический.ВкосмофизическомпервичныхКЛ,ихаспектезанимаютсяпроисхождения,механизмовизучениемускоренияприродычастиц,энергетических спектров и т.д.Существование КЛ было установлено в 1912 г. австрийским физикомГессом. Предполагая, что разряд электроскопа происходит за счет ионизациивоздуха под действием радиоактивного излучения земных пород, Гессподнялся с электроскопами на воздушном шаре. Вопреки ожиданиям,ионизация воздуха возрастала с высотой и на высоте 4800 м стала в четырераза больше, чем на уровне моря.

Гесс сделал правильный вывод, что болеевысокая ионизация наверху объясняется предположением, что на границуземной атмосферы из мирового пространства падает излучение оченьбольшойпроникающейспособности.Сэтогооткрытияначалисьисследования КЛ на различных высотах разными физическими методами.Эти исследования продолжаются и в наше время.3Среди первичных КЛ различают высокоэнергичные (вплоть до 1021 эВ)галактические КЛ, приходящие к Земле извне Солнечной системы,равномерно со всех направлений, и солнечные КЛ умеренных энергий ( ≤ 1010эВ), связанные с активностью Солнца и потому подверженные большимвариациям. (Примечание: электронвольт – энергия, приобретаемая частицейс элементарным зарядом в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В;1 эВ = 1,6 ⋅ 10 −19 Дж).Былоnустановленоизменениеплотности потока частиц в зависимости40от высоты наблюдения (рис.1).

На20высотах050100 150 h, кмсвыше50кмаппаратурарегистрирует первичные КЛ. С высоты50 км начинаются взаимодействия КЛ сРис. 1. Высотная зависимостьплотности потока космическихлучейатомами воздуха, при этом образуетсябольшое количество вторичных частиц.В нижних слоях атмосферы доминируетпоглощение частиц над их размножением.В выяснении природы первичных КЛ чрезвычайно важную рольсыграли геомагнитные эффекты, т.

е. зависимость интенсивности КЛ и ихэнергетического спектра от геомагнитных координат точки наблюдения, атакже зенитной и азимутальной ориентации регистрирующих приборов. Этиэффекты возникают вследствие того, что Земля имеет магнитное поле, вкотором частицы КЛ отклоняются. Из опытов следует, что частицыпервичного излучения имеют положительный заряд [1].Первичные галактические КЛ состоят из протонов (92 %), ядер гелия(7 %) и более тяжелых ядер (1%).Распределение КЛ по энергиям характеризуется энергетическимспектром.

Интегральным энергетическим спектром I (E k ) называется поток4космических частиц, кинетическая энергия которых превышаетЭнергетическийспектрпервичныхгалактическихКЛEk .приближенноописывается выражениемI (E k ) ≈ AE k− γ ,где A – коэффициент пропорциональности. Показатель степени изменяетсяот γ = 1,4 при 1010 эВ до γ = 2,2 при 1018 эВ.

Поток частиц быстроуменьшается с увеличением их энергии: на площадь 1 м2 падает за годпримерно 1011 частиц с энергией свыше 1010 эВ и только одна частица сэнергией свыше 1016 эВ.Полагают, что галактические КЛ заполняют всю Галактику и ихсуммарная энергия сравнима с энергией звездного излучения, энергиейдвижения межзвездного газа и энергией магнитного поля Галактики.Поэтому КЛ играют большую роль в динамике галактических процессов.ВопросопроисхождениигалактическихКЛпокадалекотокончательного решения.Подавляющая часть первичных КЛ приходит к Земле из окружающегогалактического пространства.

Но небольшая часть КЛ, преимущественнонизких энергий, приходит к Земле от Солнца. Во время кратковременныхвспышек на Солнце поток солнечных КЛ может возрасти в тысячи раз.Мощные солнечные вспышки сильно влияют на магнитосферу Земли,распространение радиоволн и работу электронных устройств. Они опасныдля людей при полете на другие планеты.2.

Ядернофизический аспектВ этом аспекте изучаются взаимодействия КЛ высоких энергий свеществом, генерация элементарных частиц и их свойства. При исследованиикосмическихлучейбылополученомногопринципиальноважных5результатов. Были открыты позитрон, мюон, мезоны и др. элементарныечастицы,аэлементарныхтакжеустановленычастиц.Помногиемерезакономерностиразвитиявускорительнойфизикетехникиисследования в этом направлении постепенно перемещались на ускорители.Однако еще долго КЛ будут оставаться уникальным источником частицсверхвысоких энергий, недоступных для ускорителей.2.1.

Элементарные частицы и их взаимодействия.Релятивистские эффекты. Частицы космических лучей обычнодвижутся со скоростью, близкой к скорости света c = 3 ⋅ 108 м/с, поэтомунеобходимо учитывать закономерности теории относительности.Масса частицы зависит от скорости Vm = γm0 ,где m0 - масса покоя, гамма-факторγ=11 − (V c )2.Энергия E и масса m связаны фундаментальным соотношениемE = mc 2 = γm0 c 2 .(1)Энергия включает в себя энергию покоя E0 = m0 c 2 и кинетическуюэнергию Ek : E = E0 + E k .

Кинетическая энергия равна Ek = (γ − 1)m0 c 2 .Энергия покоя электрона составляет 0,51 МэВ, а протона – 938 МэВ.За исключением протона, электрона, фотона и нейтрино, элементарныечастицы нестабильны и распадаются на другие частицы.

Среднее времяжизни частицы зависит от ее скоростиτ = γτ0 ,где τ 0 – время жизни в покое.(2)6Частицы и античастицы. Характерной чертой микромира являетсясуществование античастиц. Частица и ее античастица имеют одинаковыемассы, время жизни и схемы распада, но противоположные по знакуэлектрический заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики(барионный заряд, лептонный заряд и др.). Для электрона e − античастицейявляется позитрон e + , для протона p – антипротон ~p .

Частица и ееантичастица рождаются парами в столкновениидругих частиц. Например, электрон и позитронγрождаются при столкновении γ -кванта (фотонаЯдробольшой энергии) с атомным ядром (рис. 2):+e-γ + ядро → ядро + e − + e + .e+(3)В соответствии с законом (1), рождение парыРис. 2. Схема процессаобразования парыэлектрон-позитрон вполе ядравозможноприпревышающихэнергияхсуммарнуюγ -квантовэнергиюEγ ,покояэлектрона и позитрона: E γ > 2m0 c 2 = 1,02 МэВ.Эта энергия в 106 раз больше энергии квантов видимого излучения.Частица при столкновении со своей античастицей вместе исчезают(аннигилируют), превращаясь в другие частицы. Например, электрон ипозитрон превращаются в два γ -кванта:e− + e+ → γ + γ .(4)Если электрон и позитрон перед аннигиляцией покоились, то γ -квантыимеют одинаковую энергию 0,51 МэВ (энергия покоя одной заряженнойчастицы) и разлетаются в противоположных направлениях по законусохранения импульса.

В процессе (4) энергия покоя полностью переходит вэнергию электромагнитного поля.Фундаментальные взаимодействия. В настоящее время известнычетыре вида фундаментальных взаимодействий элементарных частиц:7сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Они перечислены впорядке убывания силы взаимодействия, которую можно представить в видеряда: 1 : 10 −2 : 10 −6 : 10 −38 .

Очень слабое гравитационное взаимодействие неиграет роли в мире элементарных частиц.По своим свойствам элементарные частицы разделены на три класса –адроны, лептоны и переносчики взаимодействия (например, фотоны дляэлектромагнитных взаимодействий).Распад частиц происходит за счет того или иного взаимодействия,причем время жизни частиц различно для разных взаимодействий. Чемслабее взаимодействие, тем больше время жизни. Среднее время жизничастиц τ 0 по порядку величины равно 10 −23 с для распада по сильному, 10 −16 с– по электромагнитному и 10 −8 с – по слабому взаимодействию.Сильныевзаимодействия.Частицы,участвующиевсильномвзаимодействии, называются адронами.

К ним относятся протон, нейтрон,мезоны, гипероны и несколько сотен очень нестабильных элементарныхчастиц. Одним из проявлений этого взаимодействия являются силы, которыесвязывают нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре.Сильноевзаимодействие−короткодействующее.Наибольшеерасстояние, на котором оно проявляется, по порядку величины равноr ~ 10 −15 м. Примерно такой же размер имеют нуклоны.Привзаимодействииадроновдостаточнобольшойэнергииснуклонами и ядрами рождаются другие адроны, среди которых главную рольв КЛ играют π -мезоны (пионы).Существуютпионысэлементарнымположительным( π + ),отрицательным ( π − ) зарядом и незаряженный π 0 .

Заряженные пионыобразуют пару частица – античастица. Масса заряженного π -мезона в 273раза больше массы электрона и в 6 раз меньше массы нуклона (энергия покояравна E0 = 140 МэВ для заряженного пиона и 135 МэВ для π 0 -мезона).8В качестве примера приведем одну из множества реакций рожденияпионов при столкновении нуклона с нуклономp + n → p + n + π0 + π+ + π− .(5)Пионы имеют значительную энергию покоя, которую они получают засчет кинетической энергии налетающей частицы. Для того чтобы произошлорождение частиц, энергия налетающей частицы должна быть достаточнобольшой; с увеличением этой энергии растет число рожденных пионов.Реакции (3), (4), (5)являются наглядным доказательством взаимосвязимассы и энергии (1).

Кроме пионов, рождаются и другие адроны, ролькоторых в общей картине космических лучей невелика.π -Мезоны нестабильны и распадаются, о чем будет сказано ниже.Адрон пробегает в веществе некоторое расстояние, прежде чем ониспытает сильное взаимодействие с ядром. Средний пробег λ принятовыражать в г/см2. Для взаимодействия протонов с ядрами воздуха λ = 70г/см2 (в пересчете на воду это соответствует слою толщиной 70 см).Электромагнитныевзаимодействия–взаимодействиямеждуэлектромагнитным полем и частицами с электрическим зарядом илимагнитным моментом (силы Кулона, Лоренца и др.).