Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Космические лучи

Взаимодействие Космических лучей с веществом

1. Ядерно-активная компонента Космических лучей и множественная генерация частиц. При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К. л. высокой энергии (Космические лучи несколько Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы (главным образом азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. Множественные процессы), в основном р-мезонов (пионов) -- заряженных (р+, р-) и нейтральных (р0) с временами жизни 2,5?10-8 сек и 0,8?10-16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5--10 раз) рождаются К-мезоны и с ещё меньшей -- гипероны и практически мгновенно распадающиеся Резонансы. На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или р-мезона) с лёгким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E1/3 (вплоть до E ? 20 Гэв), а затем (в области энергий 2?1010--1013 эв) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ? 1014 эв. Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300--400 Мэв/с, где с -- скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с её кинетической энергией, импульс частицы р = E/c; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с). Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны). Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов Космические лучи 90 г/см2 воздуха, т. е. Космические лучи9% всей толщи атмосферы. С ростом атомного веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А1/3), достигая Космические лучи 160 г/см2 для свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20--30 км), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К. л. Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7, кривая 1), и на уровне моря (Космические лучи1000 г/см2) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Фотография множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано

Рис. 6. Фотография множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано (помимо нейтральных) свыше 300 заряженных частиц, главным образом пионов

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных Космических лучей.

Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (г) каждый: р°>2г. Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e- e+(г>e-+e+), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения испускают новые фотоны (е±>е±+ г) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц -- к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии р0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (Космические лучи 120 г/см2), происходит её постепенное затухания (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию атомов воздуха и комптоновское рассеяние увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10--20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8

Фотография, показывающая развитие электронно-фотонного ливня в латунных пластинках, установленных в камере Вильсона

Рис. 8. Фотография, показывающая развитие электронно-фотонного ливня в латунных пластинках, установленных в камере Вильсона

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества -- т. н. каскадная кривая (рис. 9). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

Наряду с р°-мезонами в К. л. существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и г-кванты высокой энергии (> 100 Мэв) первичных К. л., а также д-электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц Космических лучей.

При очень высоких энергиях (? 1014 эв) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению -- на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2--3) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы «предков» этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова -- Вавилова излучения, поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрического Диполя.

Рис.9

3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием космических лучей заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях -- до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях ? 1012 эв.

Заряженный пион (с энергией ? 1011 эв) распадается на мюон м±(заряженную нестабильную частицу с массой покоя mм ?207 me, где me -- масса электрона, и средним временем жизни ф0 ? 2?10-6 сек) и нейтрино н (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), Нейтрино и Антинейтрино. Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К. л.) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада ф достаточно велико -- пропорционально полной энергии E, ф = Электромагнитные взаимодействия)) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (Космические лучи 2 Мэв на толщине 1 г/см2). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту Космических лучей . Даже при сравнительно умеренной энергии Космические лучи 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3).

Поглощение космических лучей в атмосфере -- зависимость интенсивности I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя

Рис. 7. Поглощение космических лучей в атмосфере -- зависимость интенсивности I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 -- ядерно-активная компонента (протоны и б-частицы); 2 -- мягкая компонента; 3 -- проникающая компонента (мюоны); 4 -- полная интенсивность. но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10)

Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)

Рис. 10. Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)

Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада р0) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов р+ и р-) -- проникающей мюонной компонентой (рис. 11).

Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере, с образованием трёх основных компонент вторичных космических лучей

Рис. 11. Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере, с образованием трёх основных компонент вторичных космических лучей: электронно-фотонной (мягкой), ядерно-активной и мюонной (проникающей); р -- протон; n -- нейтрон; р±,р0 -- пионы; м± -- мюоны; е± -- позитрон и электрон; н -- нейтрино; г -- квант

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв) делает проникающую компоненту К. л. очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12). Измеряя интенсивность космических лучей. телескопом счётчиков в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К. л. в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.

При энергиях порядка 1012 эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ? 8 км водного эквивалента под углами ? 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей -- нейтринной -- компоненты К. л. Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения «прозрачности» вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 1010 эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 1015 эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6?10-17 см).

Измерения потоков солнечных нейтрино значительно более низких энергий (Космические лучи 1 Мэв) позволят подойти к решению и другой, космофизической, проблемы нейтринной физики. Это связано с использованием огромной проникающей способности нейтрино для косвенного измерения температуры недр Солнца, от которой зависит характер протекающих в нём ядерных реакций -- основного источника солнечной энергии

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее