Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

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 -кванты.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня

⁰ 2 ,
⁺⁺ + ,
^-- + ,    Мюоны в свою очередь могут распадаться⁺ e⁺ + _e + ,
^- e^- + n _e + .    Образующиеся при распаде нейтральных пионов -кванты вызывают каскад электронов и -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. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

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