МУ-Я-62 (Космические лучи), страница 2

Оно в сотни раз слабеесильного взаимодействия. Радиус действия электромагнитных сил неограничен.Электромагнитные взаимодействия ответственны за поглощение ввеществе заряженных частиц и γ -квантов.Заряженные частицы теряют свою энергию в результате двух основныхпроцессов – ионизационного и радиационного торможения.В результате кулоновского взаимодействия быстрой заряженнойчастицы с атомами энергия частицы затрачивается на увеличение энергииатома или на его ионизацию. Такой процесс потери энергии называютионизационным торможением. Удельные потери энергии (на единицу длины9пути в веществе) зависят от заряда, массы и энергии частицы, а также отвещества.Сущность радиационного торможения заключается в том, чтовкулоновском поле ядра частица получаетускорение, что, в соответствии с закономЯдро+γe-электродинамики,приводиткэлектромагнитному излучению (рис. 3).

Приэтом возникает непрерывный спектр γ -лучей –тормозноеРис. 3. Схема процессаобразования тормозногофотонного излучениявсегдаизлучение. (Заметим, чтоэтотпроцесс порождает рентгеновское излучение вспециальных лампах). Это явление важно длялегких заряженных частиц (электронов ипозитронов). Частицы большой массы (мезоны, протоны) при той жекулоновской силе испытывают меньшее ускорение, поэтому радиационноеторможение для них несущественно.Радиационные потери, небольшие при малой энергии, быстровозрастают с ростом энергии частицы. В воздухе удельные радиационныепотери становятся больше ионизационных при энергии электрона свыше 80МэВ.γ -Кванты, проходя через вещество, теряют свою энергию главнымобразом за счет следующих явлений: комптон-эффекта, фотоэффекта ирождения электрон-позитронных пар.Комптон-эффект, или рассеяние γ -квантов на электронах, при которомфотоны передают часть своей энергии атомным электронам.Фотоэффект, или поглощение γ -кванта атомом, когда вся энергияфотона передается электрону, вылетающему в результате этого из атома.Рождение электрон-позитронных пар за счет энергии фотона (3).10В зависимости от энергии фотона доминирует тот или другойпроцесс: при низких энергиях – фотоэффект, при средних – эффектКомптона, при высоких – рождение пар.Нейтральный пион с очень малым временем жизни ( τ 0 = 1,8 ⋅ 10 −16 с)распадаетсянадваγ -квантаврезультатеэлектромагнитноговзаимодействия:π0 → γ + γ .(6)Суммарная энергия двух γ -квантов равна полной энергии пиона,включающей энергию покоя 135 МэВ и кинетическую энергию.

Такимобразом, даже медленный пион порождает фотоны с энергией в десятки МэВ.Образование энергичных фотонов через процесс рождения и распада π 0 мезонов играет важную роль при прохождении КЛ через атмосферу, о чембудет сказано ниже.Слабые взаимодействия ответственны за β -распад ядер, за многиераспады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействиянейтрино с веществом. Радиус действия этих сил порядка 10 −18 м.Вследствие действия слабых сил заряженные пионы со среднимвременем жизни τ 0 = 2,6 ⋅ 10 −8 с распадаются на мюоны ( µ ± ) и нейтрино (илиантинейтрино, отмеченное знаком тильда):π+ → µ+ + νµ ,.π− → µ − + ~ν .(7)µМасса мюона составляет примерно 3 4 массы пиона.Мюоны распадаются на позитрон или электрон и два нейтрино~ , µ− → e− + ν~ +ν .µ+ → e+ + νe + νµeµ(8)Мюоны, электроны и нейтрино относятся к лептонам. Они участвуют вслабых взаимодействиях, а также, если заряжены, и в электромагнитных, ноне участвуют в сильных взаимодействиях.11Нейтрино – незаряженные частицы, участвуют только в слабомвзаимодействии.

Поэтому они способны пронизывать огромную толщинувещества, например, пройти насквозь земной шар или Солнце. Нейтринобывает трех типов, отличающихся внутренним свойством (лептоннымзарядом). В распадах (8) появляются электронное ν e и мюонное ν µнейтрино. Масса покоя нейтрино очень мала (вопрос о массе нейтрино –предмет современных исследований).Время жизни мюонов τ 0 = 2,2 ⋅ 10 −6 с, и они могут пролететь большоерасстояние до распада, равное l = Vτ = Vγτ 0 . Для оценки порядка величины lбудем считать скорость мюона близкой к скорости света, а величину γ –различной; тогда l ≈ 600γ , м. Для малоэнергичных мюонов γ ≈ 1 , а пробегменее 1 км.

Для энергичных мюонов, рожденных в верхних слояхатмосферы, гамма-фактор может составлять сотни и больше, и такие частицымогут пройти без распада всю атмосферу.2.2. Прохождение космических лучей через атмосферуВторичные КЛ возникают в атмосфере в длинной и разветвленной цепипревращений.Исходнымзвеномтакойцепиявляетсясильноевзаимодействие частицы первичных КЛ (протона или ядра) с ядрами атомоввоздуха в верхних слоях атмосферы. Ядро-мишень при этом, как правило,разваливается на протоны и нейтроны.

То же происходит и с первичнойчастицей, если она состояла из нескольких нуклонов. Образующиеся приэтом протоны и нейтроны в дальнейшем ведут себя так же, как и первичныепротоны, но с меньшей энергией.В сильных взаимодействиях, кроме развала ядер, рождается многопионов. Заряженные пионы, будучи адронами, ведут себя подобно нуклонами, если они не распались, при столкновении с ядрами рождают новые пионы.Толщина земной атмосферы составляет около 1000 г/см2, в ней можетпроизойти свыше десяти последовательных ядерных взаимодействий12нуклонов и заряженных пионов. Они образуют ядерно-активную компонентувторичных КЛ. На рис.

4 схематически представлено несколько поколенийразвития ливня, порожденного взаимодействием протона с ядром.pАтомноеядроπ±π 0γp nγe+νπ±e-γe-e+µ±-neπ 0γπ±e-γπ 0γγπ±γπ±γγpГрунтµ±Рис. 4. Схема развития ливня из адронов, лептонов и фотонов ватмосфере: в результате столкновения протона p с ядромобразуются два заряженных и один нейтральный пионы, а такженуклоны n и p ; π 0 -мезон после распада на γ -кванты порождаетэлектронно-фотонный ливень; один из заряженных пионовраспадается на мюонПо мере прохождения через атмосферу число ядерно-активных частицсначала возрастает, а их энергия уменьшается.

Наконец, при малой энергии13рождение пионов прекращается, и эта составляющая начинает затухать. Доуровня моря ядерно-активные частицы почти не доходят.Часть заряженных пионов распадается на мюоны (7), образуя мюоннуюкомпоненту вторичных КЛ. Мюоны очень большой энергии, для которыхвремя жизни велико (2), проходят без распада всю атмосферу. Онизамедляются только за счет ионизационного торможения, могут пройти всюатмосферу и даже углубиться в землю на несколько километров.Возникновение электронно-фотонной компоненты связано в основномс распадом π 0 -мезонов на γ -кванты (6) и образованием электронов (ипозитронов) при распаде мюонов (8).

В кулоновском поле ядер γ -квантрождает электрон-позитронную пару (рис.2). За счет тормозного излучениячастиц этой пары вновь возникают γ кванты (рис. 3), которые рождают, в-ee+свою очередь, электрон-позитронныепары (формула (3)). Повторение этогопроцессаприводитклавинообразному увеличению числачастиц – возникновению электроннофотонного каскадного ливня (рис.

5).СРис. 5. Схема развитияэлектронно-фотонного ливня ватмосферефотонногоэнергияразвитиемливнячастиц.электронноуменьшаетсяПриэнергииэлектронов (позитронов) меньше 80МэВ ионизационные потери больше радиационных и ливень затухает.Число частиц в максимуме ливня пропорционально энергии первичнойчастицы. Ливни, образующиеся для первичной частицы с энергией ε > 1014эВ, содержат 10 6 ÷ 10 9 частиц и называются широкими атмосфернымиливнями (ШАЛ). На уровне моря частицы ливня покрывают площадь до14нескольких квадратных километров. Огромное число частиц в ливнепозволяет его обнаруживать и изучать с помощью сравнительно небольшогоколичества счетчиков, размещенных на большой площади и сработавшиходновременно.

С помощью ШАЛ проводится исследование КЛ в областисверхвысоких энергий.Подведем итог. Все компоненты вторичных КЛ достигают максимумасвоего развития высоко в атмосфере. До уровня моря доходят тольконемногие частицы, среди которых нет первичных КЛ и очень маловторичных ядерно-активных частиц. На уровне моря поток КЛ состоит восновном из мюонов, электронов, позитронов и γ -квантов. Через площадку 1см2, в телесном угле 1 стерадиан за 1 минуту проходит примерно одначастица.Экспериментальная часть1.

Установка и методика опытаНа уровне моря принято разделять космические лучи (КЛ) на мягкую ижесткую компоненты в зависимости от степени их поглощения в веществе(мягкаяослабляетсясильнее).Жесткаякомпонентасостоитпреимущественно из мюонов, мягкая – из электронов, позитронов и γ квантов. Как говорилось выше, легкие электроны и позитроны замедляютсяза счет двух видов торможения – радиационного и ионизационного, атяжелые мюоны – только за счет ионизационного.

Поэтому мюоны могутпроходить большие толщины вещества.В экспериментальной части работы изучают поглощение КЛ в свинце,разделяют излучение на две компоненты и находят отношение числа частицв них [5].15Лабораторная установка (рис. 6) включает в себя шесть счетчиковГейгера-Мюллера, объединенных в две группы СЧ1 и СЧ2. Междусчетчиками можно помещать поглотитель П из свинцовых пластинтолщиной по 2 см (до 9 пластин).CЧ1ПСОВПИЗМCЧ2Рис. 6.

Схема телескопа заряженных частиц:СЧ1 и СЧ2 – счетчики Гейгера-Мюллера; П –поглотитель из свинца; СОВП – схемасовпадений; ИЗМ – измерительное устройствоСчетчик представляет собой стеклянную трубку диаметром 3 см идлиной 37 см, заполненную специальной газовой смесью при низкомдавлении. По оси трубки натянута тонкая проволока, а сама трубка внутрипокрыта проводящим слоем. Слой и проволока образуют два электрода, ккоторым приложено большое напряжение. Когда заряженная частица (мюонили электрон) проходит через счетчик, она ионизирует небольшоеколичество атомов газа. Оторванные электроны разгоняются электрическимполем и сами ионизируют другие атомы. В результате возникаетэлектрический пробой газа, в цепи протекает кратковременный импульс тока,который регистрируется специальным устройством.16От каждой группы счетчиков электрический импульс поступает насхему совпадений СОВП.