Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 187
Текст из файла (страница 187)
До сих пор речь шла о первичных космических лучах, главным образом галактических. Теперь коротко рассмотрим вторичные космические лучи. Они возникают в земной атмосфере в длинной и разветвленной цепи превращений, вызываемых первичными космическими лучами. Исходным звеном такой цепи является взаимодействие космической часгицы с ядрами атомов воздуха. Ядро-мишень при этом, как правило, распадается на протоны и нейтроны. Распадается и первичная частица., если она была сложной. Образующиеся при этом протоны в дальнейшем ведут себя так же, как и первичные протоны.
Количественно прохождение частицы в веществе удобно характеризовать средним пробегом ее Л до взаимодействия с ядром среды. Средний пробег Л принято выражать количеством вещесгва в граммах в столбе вещества площадью в 1 см и высотой, равной длине пути, проходимой частицей до взаимодействия. В тех же массовых единицах удобно выражать вообще путь частицы в веществе. Ослабление интенсивности 1 пучка частиц в веществе при прохождении пути л выражается формулой С103.7) 1 =!ое Так, толщина земной атмосферы в этих единицах составляет около 1000 г/смз.
Для протонов Л = 70 г/см, для о-частиц Л = 25 г/смз, для более тяжелых ядер Л еще меньше. Отсюда видно, что вероятность достижения частицей земной поверхности исключительно мала. "Гак, для протона она равна е геев~ге 10 'г. Из 10 миллионов первичных протонов в среднем только один достигнет земли. Неболыпое количество первичных протонов можно наблюдать лишь на высоких горах. Для наблюдения более тяжелых первичных ядер уже необходимо поднимагь приборы в верхние июи атмосферы или в космос. При столкновении с ядром протон теряет в среднем 30 — 50% первоначальной энергии. Основная часть первичных космических лучей со средней энергией 10 ГэВ сначала теряет энергию на рождение новых частиц п1эи столкновении с ядрами, а затем энергия идет на ионизацию атомов воздуха.
Лишь протоны с первоначальной энергией в несколько сот гигаэлектронвольт и выше могут достигнуть поверхности земли. Когда энергия первичной частицы уменьшится примерно до 100 МэВ, дальнейшее рождение новых частиц становится маловероятным. Процесс столкновения протона с атомным ядром схематически изображен на рис. 177. В ядерном столкновении образуются заряженные пионы пк и нейтральный пион пе. Образуются также пары протон- антипротон и нестабильные частицы: К-мезоны и гипероны, но основную роль в дальнейших процессах играют пионы. Заряженные пионы, распадающиеся сравнительно медленно (за время в среднем 2,0 10 " с), успевают частично провзаимодействовать с другими ядрами воздуха и вызвать такие же ядерные процессы, как и первичные частицы.
Другая часть заряженных пионов, не успев провзаимодействовать, распадается на мюоны (р~) и нейтрино. Нейтрино, ~ 1ОЗ) Космические лучи 731 как очень слабо взаимодействующие частицы, уходят, пронизывая не только атмосферу, но и весь земной шар. Положительный мюон дч распадается по схеме д — г е + о, + р„, отрицательный — по схеме д — Г е + Ре + Ую ВРемЯ жизни мкюнов поРЯдка 2,2 .
10 е с. За это время успевает распасться лишь небольшая часть мюонов. Поэтому они сравнительно легко проходят через атмосферу и поглощаются глубоко под землей. Здесь сущее гвенную роль играет реля гивистский эффект замедления хода движущихся часов (см. т. 1Ъ', ~ 106, п.4). На уровне моря мюоны составляют большую часть епроникающей компоненты» космических лучей. Рис.
177 Теперь проследим судьбу нейтрального пиона ке. Среднее время жизни его очень короткое (1,8 10 г" с). Поэтому он успевает уйти лишь на ничтожное расстояние от места своего рождения и, как правило, не провзаимодействовав с ядрами атомов воздуха, распадается на два фотона высокой энергии; ко — э т + 7. В поле ядра эти фотоны порождают электрон-позитронные пары. Средний пробег 7-фотона в воздухе до рождения электрон — позитронной пары Л Зб г/см . Образовавшиеся электрон и позитрон в процессе тормозного излучения в веществе излучают новые фотоны. Энергия последних еще достаточно высока, чтобы породить новые электрон — позитронные пары.
В итоге распад нейтрального пиона высокой энергии приводит к образованию ~Гл. ХН Некоторые вопросы астро4иэики 732 в атмосфере электронно-фотонного каскадного ливня. Когда энергия становится меньше 72 МэВ на частицу, главную роль начинают играть не тормозное излучение и рождение пар фотонами, а потери энергии электронов и позитронов на ионизацию, а фотонов на комптоновское рассеяние. На этом развитие электронно-фотонного каскадного ливня прекращается. В развитие электронно-фотонного каскадного ливня вносят некоторый вклад нейтральные пионы, образующиеся при распаде других нестабильных частиц К-мезонов и гиперонов, а также электроны, образующиеся при распаде мюонов.
При энергиях первичной частицы 10ы — 10'в ГэВ и выше каскад, сопровождающийся разви гнем электронно-фотонных лавин, получил название широкого атлеосерериого ливия. Развитие такого ливня начинается на высоте 20 — 25 км над уровнем моря. Общее число частиц в широком атмосферном ливне достигает многих миллионов. На уровне моря частицы ливня покрывают площадь до нескольких квадратных километров. Огромное число частиц в ливне позволяет его обнаруживать и изучать с помощью сравнительно небольшого количества счетчиков, размещенных на большой площади. Одновременное срабатывание счетчиков свидетельствует о прохождении широкого атмосферного ливня вторичных частиц, но лишь малая доля их фиксируется счетчиками. В первом приближении можно считать, что на каждую заряженную частицу 1в основном электрон и позитрон) приходится 2— 3 ГэВ энергии первичной частицы.
Подсчет общего числа заряженных час гиц в ливне позволяет достаточно точно оцени гь энергию первичной частицы, вызвавшей ливень. Никакими другими способами это сделать невозможно. Г л а в а ХЪ'1 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ й 104. Что такое элементарные частицы 1. В общем курсе о физике элементарных частиц можно дать только предварительные представления.
Это касается как экспериментальных методов, так в особенности и теоретических представлений. Этому разделу науки посвящены специальные курсы, в которых излагается как предмет в целом, так и его отдельные части. Наше весьма неполное изложение носит описательный информационный характер и, как правило, не затрагивает теоретические основы изучаемых закономерностей. Отметим с самого начала, что в физике элементарных частиц вводится ряд понятий с весьма экзотическими названиями; страпностьч очарование, красота (или прелесть), цвет н пр. Все эти термины не имеют никакого отношения к тому, в каком смысле они употребляются в обыденной жизни.
Это просто какие-то квантовые числа, вводимые для описания характеристик элементарных частиц. 2. При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что это есть перви"ные, далее кеделимые частицы, из которых состоит вся материя. Таковыми вплоть до начала ХХ века считались атомы (слово чатомь в переводе с греческого означает чнеделимыйь).
Восле того как была установлена сложная структура атомов, они перестали считаться элементарными частицами в указанном смысле слова. Такая же судьба постигла ядро, а затем протон и нейтрон, у которых была установлена внутренняя структура. Открывались новые и новые объекты (мюовы, пиокьи иейтринв и пр.), которые могли претендовать на роль элементарных частиц. Для большинства из них эти претензии были отклонены очень быстро.
Но и в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными и есть ли вообще элементарные частицы в первоначальном смысле этого слова. Элемвнглар~ыми частицами сейчас условно называют бо.лысую группу мельчайших микрвчастиц, не являющихся атом ми или атомными ядрами (за исключением протонов ядер атома водорода). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы н атомные ядра. В настоящее время к чнстинног элементарным принято относить следующие частицы (и их античастицы): 1) лептоны (е, р, т и соответствующие им нейтрино): 2) кварки; 3) фотоны и промежуто тые боэоны 'чч'~, гг'. Необходимо, однако, заметить, что существуют гипотезы (основанные на наблюдаемой на опыте симметрии между кварками [!'л.
ХЪЧ Элементарные частицы 734 и лептонами в электромагнитных взаимодействиях, а также на идеях Великого объединения сил) о том, что кварки и лептоны сами состоят из более фундаментальных частиц «преоновэ. То же относится к %~ъ Хо-бозонам (у которых предполагается существование дискретных возбужденных состояний). Если разности энергетических уровней велики по сравнению с энергиями, воздействующими на систему, то последняя ведет себя как целая — как элементарная частица. 3.
Естественным источником различных частиц высоких энергий являются космические лучи. Не случайно поэтому, что до начала 50-х годов физика элеьиентврных частиц была тесно связана с изучением космических лучей. В настоящее время источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Они в комбинации с детекторами позволяют исследовать процессы, в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы в лучших контролируемых условиях. Понятно, почему физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.
Для осуществления взаимодействия на очень малых расстояниях частицы должны обладать очень высокими энергиями. Но в ультра- релятивистской области полная энергия частицы связана с ее импульсом соотношением 3 = рс, так что соотношение неопределенностей схх Ьр - 5 принимает вид Ьй схх ~ 6с/2, Ьй > 10 ы/Ьх, (104.1) или (104.2) р+ р — э 9+ 9+7Г в которой возникает нейтральный пион. Каково необходимое (но недостаточное) условие возможности такой реакции? Масса пиона равна 135 МэВ. Поэтому для осуществления этой реакции кинетическая энергия налетающего протона во всяком случае должна быть не меньше 135 МэВ. На самом деле она должна быть не меньше 290 МэВ, так как в соответствии с законом сохранения импульса часть энергии уносится если энергию выражать в гигаэлектронвольтах, а расстояние Ьх в сантиметрах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
