Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки подвержены определенным временным циклам. Самые мощные из них повторяются в среднем через 11 лет, менее мощные — через 27 дней. Мощные солнечные вспышки мокнут увеличить поток космических лучей, падающих на Землю со стороны Солнца, в 1Оь раз по сравнению с потоком галактических космических лучей.
По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космических лучах больше протонов (до 98-99% всех ядер) и соответственно меньше ядер гелия ( 1,5%) и других ядер. Солержание ядер с Я > 2 в солнечных космических лучах отражает состав солнечной атмосферы. з 12. Космические лучи !в 29 Ф !Π— !О 3 6 9 !2 !ВЕ, зй/нуклои Рис. !В.!5. Энергетические спектры солнечных и галактических космических лучей в периол минимума солнечной активности Энергетические спектры солнечных и галактических космических лучей в период минимума солнечной активности показаны в сравнении на рис.!0.15.
Энергии солнечных космических лучей изменяются в интервале 10'-1Оп эВ. Их энергетический спектр в среднем также может быть аппроксимирован зависимостью (10.31), в которой степенной показатель 7 увеличивается с ростом энергии от 2 до 7. Все приведенные выше характеристики космических лучей относятся к космическим частицам до входа в атмосферу Земли. т. е. к так называемому первичному космическому излучению. В результате взаимодействия с ядрами атмосферы (главным образом, кислородом и азотом) высокознергичные частицы первичных космических лучей (прежде всего протоны) создают большое число вторичных частиц — алронов (пионов, протонов, нейтронов, антинуклонов и т.д.), лептонов (мюонов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов. Развивается сложный многоступенчатый каскалный процесс (рис. !О.!б).
Кинетическая энергия вторичных частиц расходуется в основном на ионизацию атмосферы. Толшина земной атмосферы около 1000 г/см-'. В то же время пробеги высокоэнергичных протонов в воздухе 70 — 80 г/счз, а ядер гелия— 20-30 г/см'. Такич образом, высокоэнергичный протон может испытать до !5 столкновений с ядрами атмосферы и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне лгала. Первое столкновение происходит обычно на высоте > 20 кч.
Лептоны и фотоны появляются в результате слабых и электромагнитных распадов вторичных адронов (главным образом, пионов и каонов) и рождения 7-квантами е е+-пар в кулоновском поле ядер: гг — 27, 3! Зае за 490 Глава 10. Нухлеасинглез и Вселенная и (или К+)- р«+ию я (или К )- р +й„, К~л- 2к, 1« — с++и«+Рл, Р -» е +й»+и„, ядро+7- ядро+с +е Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, 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 !Ое-1Оэ (при энергии первичного протона > 10'«зВ). Такой каскад покрывает большую площадь (много квадратных километров) и называется широким агамасферимм ливнем. После достижения максимальных размеров происходит затухание каскада, главным образом за счет потери энергии на ионизацию атмосферы.
Поверхности Земли достигают в основном релятивистские мюоны и нейтрино. Сильнее поглощается электронно-фотонная компонента и практически полностью «вымираст» адронная составляющая каскада. В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно Рис. 10,16. Каскад вторИчных частиц при столкновении высокоэнергичного протона космических лучей с ядрами атмосферы Земли. Энергия первичного протона В.
Кажлое столкновение высокоэнергичного протона сопровожаается потерей в среднем половины его энергии. 0 составе каскада не показаны высокоэнергнчные клоны. Не показана также ядерное взаимодействие высокоэнергнчных пионов $ 12, Космические лучи 491 в 100 раз меньше потока первичных космических лучей и составляет около 0,01 частицы/(см' с). Магнитное ноле Земли оказывает влияние на первичное космическое излучение. Оно препятствует вхождению в атмосферу относительно малознергичных частиц. Минимальный импульс р,„протона, при котором он может войти в атмосферу под углом ьо к геомагнитной параллели Л, определяется формулой соа' Л р ы =59,3 ГзВ/с.
(1О. 32) ' 1,Л= Й рй.» ~ Ч' Минимальный импульс, при котором протон может войти в атмосферу на экваторе (Л = 0'), равняется 15 ГэВ/с. На магнитном полюсе частица может достигать атмосферы с любым импульсом, Существование минимального импульса (10.32) приводит к зависимости интенсивности первичного космического излучения от геомагнитной широты. Эта зависимость получила название широтного эффекта. О величине широтного эффекта можно судить по следующему соотношению: У(90') — Т(0') 1(90') где 2(90') и 2(0') — интенсивности космических лучей на высоте 10 км на полюсе и на экваторе соответственно.
Магнитное поле Земли запрещает определенные направления входа космических лучей в атмосферу. В частности, положительно заряженные частицы не могут входить в атмосферу под некоторыми углами к горизонту с востока. Это приводит к восточно-западной асимметрии космического излучения Т,— 1, 2, л- 2, ' где 1, и 1„ — интенсивности космического излучения с запада и с востока. На больших высотах это отношение достигает величины 0,25. Обнаружение восточно-западной асимметрии в свое время служило доказательством того, что первичное космическое излучение состоит из положительно заряженных частиц, Для заряженной частицы с энергией, не превышающей несколько ГэВ, в магнитном поле Земли существуют магнитные ловушки — области пространства, в Которые заряженные частицы не могут ни влететь извне, ни вылететь из них.
Эти области имеют форму тороидов, охватывающих Землю в широтном направлении. Их удаленность от Земли зависит от энергии частицы. Чем выше энергия частицы, тем ближе они расположены к поверхности Земли. Заряженные частицы накапливаются в таких областях магнитного полю Поэтому вблизи Земли должны находиться зоны с повышенной концентрацией заряженных частиц. Вскоре после запуска первых искусственных спутников Земли такие зоны повышенного содержания заряженных частиц были обнаружены зм 492 Глава 10.
Нуклеосинлзез и Вселенная Относительная интенсивность ° '~С в ~еВ 2,0 1,5 1,0 40 35 30 25 20 Тысяч лет тому назад Рве.!0.17. Зависимость интенсивности космических лучей от времени, полученная прн исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов (С. Н.
Вернов, А. Е. Чудаков, Д. Аллен„1958 г.) и получили название радиационных поясов Земли. Внутренний радиационный пояс состоит в основном из протонов с Ер > ! МэВ и электронов с Е, > О,! МэВ и находится на расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли. Основным механизмом инжекции протонов с Ер > 30 МэВ во внутренний радиационный пояс Земли является распад нейтронов, которые образуются при взаимодействии космических лучей с ядрами атмосферы Земли.
Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса Земли — на расстоянии - 1,5 радиуса Земли. Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов с энергией от нескольких сотен кэВ до !0 МэВ. Интенсивность космических лучей был» примерно постоянной в течение 10з лет. Вместе с тем появились данные, что 30-40 тыс. лет назад интенсивность космических лучей была больше, чем в настояшее время (рис. 10.17). Это увеличение интенсивности космических лучей связывают с взрывом близкой к Солнечной системе (а 50 парсек) сверхновой.
Глава 11 Проблемы. Перспективы В заключительной главе кратко остановимся на нерешенных проблемах и возможных путях их решения. Олнако нет сомнения в том, что реальность окажется гораздо более захватывающей и неожиданной. 4 1. Объединение взаимодействий Современные идеи объединения различных взаимодействий берут начало от работ Ньютона. Ньютон открыл простой закон, согласно которому сила взаимодействия между лвумя массивными телами пропорциональна их массам ты тз и обратно пропорциональна квадрату расстояния г между ними: зт = С вЂ”. пз1 гпз (! 1.Н тз гле С вЂ” гравитационная постоянная Ньютона.
С помощью этого закона он сумел рассчитать как закономерности падения тел, согласующиеся с наблюдениями Галилея, так и закономерности движения планет, ранее установленные Кеплером. Так с помошью одного закона впервые удалось описать явления земных и космических масштабов. Следующий шаг в объединении взаимодействий был слелан Максвеллом, который показал, что электричество, магнетизм н свет можно описать сне~смой дифференциальных уравнений, которые теперь носят его имя. Астрономия Гравитационное Механика взаимодеиствие Электричество Великое 1 ообъедйнейие Сильное взаимодействие Ряс. 11.1.
Этапы объединения взаимодействий 494 Глава 11. Проблемы. Перснекгняеы Ъбляяа 11.1 Константы взаимодействии при некоторых энергиях Одной из особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было установление закономерностей различных типов взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Электромагнитное и сильное взаимодействия можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей — фотонами и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонамн электромагнитного и сильного полей.
Гипотеза о том„что слабое взаимодействие также обусловлено обменом некоторой заряженной частицей, была выдвинута еше в тридцатых голах ХХ в. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу — электрослабой модели, связывающей электромагнитные и слабые взаимодействия, Каждое взаимодействие характеризуется константой взаимодействия а;, определяющей его силу. Однако константы взаимодействий а;, строго говоря, не являются константами, а зависят от энергии. Приведем значения о„а, и а„при некоторых энергиях (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
