Космическое излучение

Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излучения – ионизирующего излучения, приходящего из потока приходящих извне частиц.

Различают первичное и вторичное космическое излучение.

Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Исследова­ние его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток протонов (более 90%), ядер атомов гелия (около 7%) и атомов более тяжелых элементов с Z>20 (около 1%), движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Энергия большинства частиц лежит в пределах от 10⁹ до 10¹² эВ. При h>50 км интенсивность космического излучения постоянна; на этих высотах наблюдается лишь первичное излучение.

Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. На высотах ниже 20 км космическое излучение является вто­ричным; с уменьшением h его интенсивность понижается вследствие поглощения.

В околоземном пространстве существуют области, в которых интен­сивность потока заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, превышает интенсивность первичного потока космического излу­чения в сотни миллионов раз. Эти области названы радиационными поясами. Установ­лено, что радиационный пояс Земли представляет собой единое образо­вание. Внутренняя граница радиационного пояса в плоскости экватора находится на расстоянии 600 км от поверхности Земли в западном полу­шарии и около 1600 км в восточном. Внешняя граница пояса в плоскости экватора находится на расстоянии 8–10 радиусов Земли. Несимметрич­ное расположение радиационного пояса Земли объясняется тем, что дви­жение заряженных частиц определяется структурой магнитного поля Земли.

В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жесткий (обладает в свинце большой проника­ющей способностью).

Мягкая компонента состоит из каскадов, или ливней электронно-позитронных пар. Образовавшийся при ядерном взаимодействии или торможении быстрого электрона g-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, со­здает пару электрон-позитрон с высокой кинетической энергией (рис.27.1). Торможение этих частиц приводит к появлению новых g-фотонов, которые образуют новые пары и т. д. Процессы рождения пар и возникновения g-квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия g-фотонов не станет недостаточной для образо­вания новых пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем пре­кращается развитие ливня.

Жесткая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов. Ее образование происходит преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных p-мезонов.

Исследование космического излучения, с одной стороны, позволило на начальном этапе развития физики элементарных частиц получить основные экспериментальные данные, на которых базировалась эта область науки, а с другой – дало возможность и сейчас изучать процессы с частицами сверхвысоких энергий вплоть до 10²¹ эВ, которые еще не получены искусственным путем. С начала 50-х гг. для исследования элементарных частиц стали применять ускорители, в связи с чем космическое излучение утратило свою исключительность при их изучении, оставаясь источником получения информации из мирового пространства.