.
Квантовая теория Масса ядра Атомные ядра момент ядра радиоактивность Альфа-распад Бета-распад Гипотеза нейтрино Гамма-излучение Дейтрон Резонансное возбуждение кварки и лептоны частицы и античастицы Космические лучи Распад протонов

Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

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.

kinet1.gif (5810 bytes)

Рис. 1. Основные компоненты первичных космических лучей

Copy of depth1.gif (5102 bytes)

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
  1. Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер
  2. Электроны (~1% от числа ядер)
  3. Позитроны (~10% от числа электронов)
  4. Антиадроны <1%
98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия
Диапазон энергий106 - 1021 эВ105 - 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 гамма-кванты.

Рис. 1.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

Рис.2

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня

pi0-----> 2гамма ,
pi+----->мю+ + ,
pi------>мю- + neutrmu ,    Мюоны в свою очередь могут распадатьсямю+-----> e+ + nu1.gif (59 bytes)e + ,
мю------> e- + n e + neutrmu.    Образующиеся при распаде нейтральных пионов гамма -кванты вызывают каскад электронов и гамма -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).    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

Рис. 5. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

Рис.6Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени, полученная при исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов 14С, 10Ве, 36Сl

На главную