Прохождение космических лучей через атмосферу Земли

На верхнюю границу атмосферы Земли после длительного путешествия приходят частицы первичного космического излучения. Им предстоит преодолеть до уровня моря (по вертикали) более 1000 г/см² вещества, в то время как в космосе весь их путь эквивалентен 5 г/см². Атмосфера Земли состоит в основном из азота (N₂ – 75, 5% масс.), кислорода (O₂ – 23% масс.) и углекислого газа. Плотность атмосферы на уровне моря – 0,0012 г/см³.

На высотах порядка нескольких десятков километров (~ 10⁶ см) от поверхности Земли первичные космические лучи взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. В этих взаимодействиях рождаются различные частицы: пионы – p, каоны – K, нуклон-антинуклонные пары, гипероны и т. д. Как правило, одна из вторичных частиц, того же типа, что и первичная, получает, в среднем, около 50% начальной энергии (так называемый эффект лидирования). Поэтому такая частица в состоянии еще несколько раз провзаимодействовать в атмосфере. Первичный нуклон с энергией > 10³ ГэВ может испытать до десятка таких последовательных столкновений с ядрами атомов воздуха. Рожденные в этих взаимодействиях заряженные пионы p^± затем распадаются или могут сами провзаимодействовать с ядрами. Время жизни заряженных пионов t = 2 · 10⁻⁸ сек, а распадаются они с образованием мюоннной компоненты и нейтрино:

p ⁺® μ ⁺ + n_μ

и

p ^-® μ ^- + .

Нейтральные пионы p ⁰ из-за малого времени их жизни t ~ 10⁻¹⁶ сек практически сразу распадаются на два g -кванта, давая, тем самым, начало электронно-фотонной компоненте (p ₀ ® 2 g). Действительно, энергия, которую получает эта пара квантов, много больше массы нейтрального пиона p⁰ (~ 135 МэВ) и, следовательно, для таких g -квантов наиболее вероятным процессом взаимодействия со средой будет образование электрон-позитронных пар (e ⁺ е ⁻).

Электроны, в свою очередь, за счет тормозного излучения на ядрах атомов воздуха, дают опять высокоэнергичные g - кванты, т. е. опять e ⁺ е ⁻ пару и т. д. Таким образом в воздухе появляется электронно-фотонный каскад.

Итак, мы видим, что в атмосфере развиваются два каскада. Один из ядерно-активных частиц (пионы, каоны, нуклоны и т.д.) и второй электронно-фотонный каскад за счет процессов тормозного излучения и образования пар (см. рис.1).

Размножение частиц в этих каскадах ограничивается процессами диссипации энергии. Для ядерных каскадов на пионах и каонах такими диссипационными процессами будут распады частиц, в результате которых вместо ядерно-активных частиц рождаются ядерно-пассивные (мюоны и нейтрино) или, как в случае распада нейтрального пиона, энергия перейдет в электронно-фотонную компоненту.

В случае электронно-фотонных каскадов диссипация энергии идет за счет ионизационных потерь электронов, комптоновского- и фотоэффектов для фотонов. Развитие электронно-фотонных каскадов продолжается до тех пор, пока ионизационные потери электрона на одной радиационной длине не станут равными энергии E_крит. самой частицы. В воздухе значение критической энергии равно 81 МэВ. Выше уже упоминалось, что в результате распада заряженных пионов в атмосфере появляются мюоны. Масса или энергия покоя мюона равна 105 МэВ. Мюон - частица нестабильная: его время жизни составляет t ~ 2·10⁻⁶ сек. μ ⁻ и μ ⁺ являются частицей и античастицей. Схемы их распадов зарядово-сопряженные. μ ⁻ распадается на электрон e ⁻, мюонное нейтрино n_μ и электронное антинейтрино . μ ⁺ распадается на позитрон e ⁺, мюонное антинейтрино и электронное нейтрино .

μ ⁻ ® e ⁻ + n_μ + ,

μ ⁺ ® e ⁺ + + .

 

 

Рис. 1. Развитие каскадного ливня от первичной космической частицы в атмосфере. А – граница атмосферы, 1 – протон, 2 – взаимодействие с ядрами атомов воздуха, 3 – ядерные взаимодействия пионов, 4 – низкоэнергетические ядерные взаимодействия, 5 – распад p°-мезона, 6 – распад p^±-мезонов, 7 – вторичная лидирующая частица (нуклон)

 

Максимальная генерация мюонов приходится на высоту 10 – 20 км. Основными процессами, за счет которых мюоны поглощаются в атмосфере, являются распад и ионизационные потери.

На ионизацию в атмосфере мюоны теряют в среднем около 2 МэВ г⁻¹ см² . В 30% случаев электрону передается столь большая энергия, что он сам превращается в быструю частицу. Такие электроны названы d -электронами. d -электроны, обладая энергией в 10³ – 10⁴ эВ, могут сами испытывать ионизационные потери. Радиационные же потери мюонов в воздухе, из-за их большой массы, малы по сравнению с потерями для электронов. Действительно, ускорение, испытываемое при радиационном торможении мюонов, в (m_μ / m_e), а излучение энергии в (m_μ/m_e)² раз меньше тех же величин для электронов. Потери энергии на излучение будут: −(dE / dx)_{рад.изл.} ~ (m_e / m_μ)² E ₀. Следовательно, энергия E ₀, теряемая мюоном на одной радиационной длине в (200)² = 40000 раз меньше, чем теряет электрон на той же длине. Таким образом, поток высокоэнергичных мюонов слабо поглощается в атмосфере, а ядерно-активные частицы в атмосфере поглощаются быстро. Поэтому, на уровне моря вторичное космическое излучение состоит в основном из мюонов (жесткая компонента), электронов и фотонов (мягкая компонента). Интенсивность заряженных частиц на уровне моря имеет следующие значения (для вертикального потока):

J _ж = 0, 82·10⁻² см⁻² сек⁻¹ ср⁻¹,

J _м = 0, 31·10⁻² см⁻² сек⁻¹ ср⁻¹.

Следует отметить, что состав жесткой компоненты на разных высотах в атмосфере неодинаков. На уровне моря жесткая компонента состоит из мюонов, а на верхней границе атмосферы - из протонов и a- частиц.

При сверхвысоких энергиях первичной частицы (E ₀ > 10⁵ ГэВ) в атмосфере Земли число ее вторичных потомков в ядерных и электронно-фотонных каскадах достигает 10⁶ – 10⁹ частиц. Это явление получило название широкого атмосферного ливня (ШАЛ). Частицы широкого атмосферного ливня регистрируются с помощью многочисленных и разнообразных детекторов, размещенных на площади несколько квадратных километров. Измерение числа частиц разной природы в широком атмосферном ливне, их энергетических и пространственных характеристик, позволяет получить информацию о характеристиках первичных частиц и их взаимодействиях.

Итак, наличие у Земли довольно толстого слоя атмосферы позволяет первичным космическим лучам испытать многократные взаимодействия и развиться каскадным процессам, а также является причиной появления мюонов и широких атмосферных ливней. Основными источниками вторичного излучения в атмосфере являются:

1. для мюонов – распад заряженных пионов;

2. для электронно-фотонной компоненты:

(a) – распад нейтральных пионов с последующим образованием электронно-фотонного каскада,

(b) – распад мюонов и

(c) – образование d -электронов мюонами.

Теперь нам известно, что космические лучи на уровне моря состоят в основном из лептонов – мюонов и электронов. Различия в свойствах электронов и мюонов хорошо видны при изучении поглощения этих частиц в плотных средах, например, в свинце. Впервые это наблюдал в своих экспериментах Б. Росси.