Космические лучи. Их состав и происхождение

Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Рис. 1. Основные компоненты первичных космических лучей

Рис. 2. Вертикальные потоки космических лучей в атмосфере. За исключением протонов и электронов на больших высотах, все остальные частицы образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. Точками показаны результаты измерений отрицательных мюонов с энергией > 1 ГэВ

Характеристики космических лучей до входа в атмосферу (первичные космические лучи)
	Галактические космические лучи	Солнечные космические лучи
Поток	~ 1 см^-2·с^-1	Во время солнечных вспышек может достигать ~10⁶ см^-2·с^-1
Состав	Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер Электроны (~1% от числа ядер) Позитроны (~10% от числа электронов) Антиадроны <1%	98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия
Диапазон энергий	10⁶ - 10²¹ эВ	10⁵ - 10¹¹ эВ

   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.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

π⁰ → 2γ ,
π⁺ → μ⁺ + ν_μ,
π⁻ → μ⁻ + _μ,

Мюоны в свою очередь могут распадаться

μ⁺ → e⁺ + ν_e + _μ,
μ⁻ → e⁻ + _e + ν_μ.

    Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. 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 примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см^-2·с^-1).

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня

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 взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E^-2.7. Особый интерес представляют области энергий 10¹⁵-10¹⁶ эВ так называемое "колено" (knee) и 10¹⁸-10¹⁹ - "лодыжка" (ankle), в которых наблюдаются аномалии.
Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~10⁹ лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.

Рис. 5. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени, полученная при исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов

Смотрите также

Ю.И. Стожков "Космические лучи в атмосфере Земли"
А. Петрукович, Л. Зеленый У природы есть и космическая погода
C. Caso et al, The European Physical Journal C3 (1998) 1 (Cosmic Rays by T.K. Gaisser and T. Stanev)
What are cosmic rays? (Laboratory of Hight Energy Astrophysics at NASA)
Г.Е. Кочаров "Экспериментальная палеоастрофизика: достижения и перспективы"