И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Махсимальные энергии космических лучей - 10" эВ, т. е. на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителам (в 101з зВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частыц. Ряд элементарных частил впервые был обнаружен именно в космических лучах (позитрон — Андерсон, 1932 гй мюон (д) — Неддермейер и Андерсон, 1937 г.; пион (к) — Пауэлл, 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но ы нейтральные частицы (особенно много фотонов ы нейтрино), космическымы лучами обычно называют заряженные частицы.
При обсуждении космических лучей следует уточнять, о каких именно лучах идет речь. Различают следующие типы космических лучей: 1. Галактические космические лучи — космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактыки. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
2. Солнечные космические лучи — космические частицы, гекерируемые Солнцем. Поток галактических космических лучей, бомбардырующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет в 1 частица/смз с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей ю 1 эВ/смз, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звезд, теплового движения межзвездного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи — важный компонент Гелактихи. Состое галактических космических лучей: 1.
Ядерная компонента — 87% протонов, 12% ядер гелия, 1% более тяжелых ядер (т.е. примерно соответствует распространенности ядер во Вселенной). 2. Элект»роны. Их число т 2% от числа ядер. 3. Позитроны. Их число ы 10% от числа электронов. 4. Антиадроны (антипротоны) составляют 10 ч протонов. Лекция 16 286 Энергии галактических космических лучей охватывают огромный диапазон — не менее 16 порядков (10е-10з' эВ). Их поток для частиц с Е > 10о эВ быстро умекьшается с ~остом энергии.
Спектр ядерной компоненты в области 101о-10 а эВ подчиняется выражению п(Е) =поЕ ', (1Б.Б) где по — константа, у е 2 1 при Е < 10ы зВ и в 3 при Е > > 10ы Я3. Энергетический спектр ядерной компоненты показан на рн~ЛБ.6. 1с-1о 1О" сгоесорнмй поток, Поток частиц сверхвы1о' чиано одао/омо.с со Гов соках энергий крайне мап. Так, на площадь 10кмз за 'год попадает в среднем не более анной частицы с энергииолом ей > 10зе эВ.
Характер спект! ра электронов с энергиямн > 10зэВ аналогичен привею-" денному на рис.16.6, Поток гелактических космических лучей не менялся в течение по крайней, мере 1 млрд лет. Галактические космичесн,ов кис лучи, очевидно, имеют не тепловое происхождение. Пействительно, максимальные температуры (сз 10 К) май компоненты космвиаскиз лучей достигаютсе в пентре звезд. При этом энергия теплового движения частил в 10оэВ.
В то же время частицы галактических космических лучей, достнгающнх окрестности Земли, в основном имеют энергии > 10а эВ. Есть веские основания полагать, что космнческие лучи генерируются, главным обрйзом, вспьппками горяновых (другие источники космических лучей —.' пудьсарЫ, радиогалактики, квазары). В нашей Галактике взрывы сверхиовьпс происходят в среднем не реже одного раза в 100 лет. Легко подсчитать, что для поддержания наблюдаемой плотности энергии космических 287 лучей (1 эВ/смз) достаточно им передавать всего несколько цроцентов мощности взрыва. Выбрасываемые при вспышках сверхновых протоны, более тяжелые ядра, электролы и позитроны далее ускоряются в спецнфическях астрофизических процессах (о ввх будет сказано ниже), приобретал энергетические характеристики, присущие космнческнм лучам.
В составе космических лучей практнчески нет метагалактическнх лучей, т.е. попавших в нашу Галактику извне. Все наблюдаемые свойства космических лучей можно объяснить всходя нз того, что они образуются, накапливаются н длительное время удерживаются в нашей Галактике, медленно вытекая в межгалактическое пространство. Если бы космические частицы двигались прямолинейно, они вышли бы за пределы Галактики через несколько тысяч лет после своего вознвквовенвя. Столь быстрая утечка привела бы к невосполнимым потерям и резкому снижению интенсивности космических лучей. На свмом деле наличие межзвездного магнитного поля с сильно запутанной конфигурацией силовых ливий заставляет зарюкеввые частицы двигаться по сложным траекториям (это дввжевне напоминает днффузвю молекул), увеличивая время пребывания этих частиц в Галактике в тысячи раз. Возраст основной массы частиц космических лучей оценивают в десяткв миллионов лет.
Космические частицы сверхвысоких энергий отклоняются галактическим магнитным полем слабо и сравнительно быстро покидают Галактику. Этим, возможно, объясняется излом в спектре космических лучей при энергии 3 ° 10'з эВ. Остановимся очень кратко на проблеме ускорения космических лучей. Частицы космвческих лучей двигаются в разряженной и электрически нейтральной космической плазме. В ней нет значительных электростатических полей, способных ускорять заряженные частицы за счет разности потенциалов между различными точками траектории. Ыо в плазме могут возникать электрические поля индукционного н импульсного типа. Так индукционное (внхревое) электрическое поле появляется, как известно, прв увеличении напряженности магнитного поля со вре.
менем (так называемый бетатронный эффект). Ускорение частиц может быть также вызвано вх взавмодействнем с электрическим полем плазменных волн в областях с ивтенснвной турбулентностью плазмы. Существуют и другие механизмы ускорения, на которых мы не имеем возможности останавливаться 288 Лекчия 15 в данном курсе. Более детальное рассмотрение показывает, что предложенные механизмы ускорения способны обеспечить рост энергии заряженных частиц, выброшенных при взрывах сверхновых, с 10з до 10з' эВ.
Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, — солнечные космические лучи — весьма важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю. Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки подвержены определенным временнйм циклам. Самые мощные повторяются в среднем через 11 лет, менее мощные — через 27 дней, Мощные солнечные вспышки могут увеличить поток космических лучей, падающих на Землю со стороны Солнца, в 10е раз по сравнению с галактическим. По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космическвх лучах больше протонов (до 98-99% всех ядер) и соответственно меныпе ядер гелия (и 1.5%). В вих практически нет других ядер.
Содержание ядер с Я' > 2 в солнечных космических лучах отражает состав солнечной атмосферы. Энергии частиц солнечных космических лучей меняются в ивтерваяе 10з-10м эВ. Их энергетический спектр имеет вид степенной функции (15.5), где 7 — уменьшается от 7 до 2 по мере уменьшения энергии. Все приведенные выше характеристики космических лучей относятся к космическим частицам до входа в атмосферу Земли, т.е. к так называемому переичкому космическому изяцчекию. В результате взаимодействия с ядрами атмосферы (главным образом, кислородом и азотом) высокознергичные частицы первичньпс космических лучей (прежде всего протоны) создают большое число вторичных частиц — адронов (пионов, протонов, нейтронов, автинуклонов и т.д.), лептовов (мюоиов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов.
Развивается сложный многоступенчатый каскадный процесс. Квветвческая энергия вторвчвых частиц расходуется.в основном ва воввзацвю атмосферы. Толщина земной атмосферы около 1000г/смз. В то же время пробеги высокоэвергвчвых протонов в воздухе 70-80 г/смз, а ядер гелия — 20-30г/смз. Таквм образом, нысокознергичный протон может испытать до 15 столкновений с ядрами атмосферы и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне мала.
Первое столхновевие происходит обычно на высете 20 км. 289 Лептоны и фотоны появляются в результате слабых н электромагнитных распадов вторичных адронов (главным образом, пионов) и рождения 1-квантамн е е+-пар в кулоновском поле ядер: тг -+ 27, я~ -у уст+ и„(й„), ядро+ 7 -+ ядро+ е + е+. Таким обрезом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных, которые делят на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Лавинообразное нарастание числа частиц может привести к тому, что в максимуме каскада их число может достигать 10е-10 (при энергии первичного протона > 10'а эВ). Такой каскад покрывает большую площадь (много квадратных километров) н называется широким атмосферным лизнем (рис. 15.7).
галактические кссмические лучи Рис. 15.7 После постижения максимальных размеров происходит затухание каскада в основном за счет потери энергии на ионизацию атмосферы. Поверхности Земли достигают в основном релятнвнстские мюоны и нейтрино. Сильнее поглощается электронно-фотонная компонента и практически полностью «вымирает» адронная составляющая каскада. В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей, составляя около 0.01 частицы/смк.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
