Космические лучи
Cosmic rays
Космические
лучи (космическое излучение) -
частицы, заполяющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие
Землю. Они были открыты в 1912 г. австрийским физиком
В. Гессом
с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических
лучей ~3.1020 эВ, т.е. на несколько порядков превосходят
энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках (максимальная
эквивалентная энергия Теватрона ~2.1015 эВ, LHC -
около 1017 эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную
роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц.
Ряд элементарных частиц впервые был
обнаружен именно в космических лучах
(позитрон - К.Д.
Андерсон, 1932 г.; мюон (μ) – К.Д. Андерсон и
С. Неддермейер,
1937 г.; пион (π) -
С. Ф. Пауэлл,
1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но
и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими
лучами обычно называют заряженные частицы.
Различают следующие типы космических лучей (рис. 1):
- Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
- Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.
 Рис. 1. Галактические и солнечные космические лучи. |
Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают
также метагалактические космические лучи - космические частицы,
возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей
невелик.
Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой
Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей,
бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет
~1 частица/см2. с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии
галактических космических лучей ~1 эВ/см3, что сравнимо с суммарной
энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного
газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи –
важный компонент Галактики.
Состав космических лучей приведен в таблице.
| Характеристики первичных космических
лучей (галактических и солнечных) |
||
|---|---|---|
|
|
Галактические космические лучи |
Солнечные |
| Поток |
~ 1 см-2·с-1 |
Во время солнечных вспышек может достигать ~106 см-2·с-1 |
| Состав |
|
98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия |
| Диапазон энергий |
106 - 3.1020 эВ | 105 - 1011 эВ |
На рис.2 слева показаны энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. На рис 2 справа показаны вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ в атмосфере Земли. Кроме протонов и электронов все частицы возникли в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы.
Рис. 2. Состав и характеристики космических лучей. Слева - энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. Справа - вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ на разных глубинах атмосферы Земли |
В результате взаимодействия с ядрами атмосферы
первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных
частиц – пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов.
Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных
частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты.
Такой каскад покрывает большую территорию и называется
широким атмосферным ливнем.
В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии,
а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее
взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые
летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный
кор ливня.
Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы,
а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня.
Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь
в мюоны, нейтрино и γ-кванты в результате распадов.
π0 → 2γ ,
π+(или K+) → μ+ + νμ,
π-(или K–) → μ– +
μ,
K+,–,0 → 2π,
μ+ → e+ + νe +
μ,
μ– → e– +
e
+ νμ.
Образующиеся при распаде нейтральных пионов
-кванты
рождают электрон-позитронные пары и
-кванты
последующих поколений. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и
радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские
мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.
Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109
вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области
порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента − в области ~100
м, мюонная − нескольких сотен метров.
Поток космических лучей на уровне моря (~0.01 см-2·с-1)
примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей.
Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы
сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии
(до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением
частиц на ударных волнах, образующихся при взрывах сверхновых. Природа космических
лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации.
.
См. также
- "Космические лучи. Их состав и происхождение"
- "Странники Вселенной или эхо Большого взрыва"
- Космические лучи
- Космические лучи
- Космические лучи ультравысокой энергии и реликтовое и реликтовое излучение во Вселенной
- Возможности изучения фундаментальных взаимодействий на ускорителях и в космических лучах
- К столетию открытия космических лучей
- Основные факторы космической погоды
- Космическое излучение на уровне моря
- Геоэффективность солнечной активности и космическая погода
- Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли