Дослідження космічного випромінювання

реферат

III. Взаємодія космічних променів з речовиною

1. Ядерно-активна компонента космічних променів і множинна генерація часток. При взаємодії протонів і інших ядер первинних космічних променів високої енергії (Космічні промені декілька Гев і вище) з ядрами атомів земної атмосфери (головним чином азоту і кисню) відбувається розщеплювання ядер і народження декількох нестабільних елементарних часток (т. з. Множинні процеси), в основному р-мезонов (піонів) - заряджених (р+, р-) і нейтральних (р0) з часом життя 2,5*10-8 сік і 0,8*10-16 сік відповідно. Із значно меншою вірогідністю (у 5-10 разів) народжуються до-мезони і з ще меншою - гіперони і практично Резонанси, що миттєво розпадаються. На мал.2 приведена фотографія множинного народження часток, зареєстрованого в ядерній фотоемульсії; частки вилітають з однієї крапки у вигляді вузького пучка. Середнє число вторинних часток, що утворюються в одному акті взаємодії протона (або р-мезона) з легким ядром пліодним нуклоном такого ядра, зростає із зростанням енергії E спочатку по статечному закону, близькому до E1/3 (аж до E 20 Гев), а потім (в області енергій 2*1010-1013 ев) це зростання сповільнюється і краще описується логарифмічною залежністю. В той же час непрямі дані по широких атмосферних зливах вказують на процеси значно вищої множинності при енергіях 1014 ев.

Рис.2. Фотографія множинного народження часток при взаємодії важкого ядра первинного космічного випромінювання з одним з ядер фотоемульсії;

Кутова спрямованість потоку народжених часток в широкому інтервалі енергії первинних і народжених часток така, що складова імпульсу, перпендикулярна напряму первинної частки (т. з. поперечний імпульс), складає в середньому 300-400 Мев/с, де з - швидкість світла у вакуумі (при дуже високих енергіях E частки, коли енергією спокою частки mc2 можна нехтувати в порівнянні з її кінетичною енергією, імпульс частки р = E/c; тому у фізиці високих енергій імпульс зазвичай вимірюють в одиницях Мев/с).

Первинні протони при зіткненні втрачають в середньому близько 50% початкової енергії (при цьому вони можуть випробовувати перезарядку, перетворюючись на нейтрони), що утворюються при розщеплюванні ядер вторинні нуклони (протони і нейтрони) і народжені в зіткненнях заряджені піони високої енергії також (разом з тими, що втратили частину енергії первинними протонами) братимуть участь в ядерних взаємодіях і викликатимуть розщеплювання ядер атомів повітря і множинне утворення піонів. Середній пробіг, на якому здійснюється одна ядерна взаємодія, прийнято вимірювати питомою масою пройденого речовини він складає для первинних протонів Космічні промені 90 г/см2 повітря, тобто Космічні лучи9% всієї товщі атмосфери. Із зростанням атомної ваги речовини А середній пробіг поступово зростає (приблизно як А1/3), досягаючи Космічні промені 160 г/см2 для свинцю. Народження піонів відбувається в основному на великих висотах (20-30 км.), але продовжується у меншій мірі по всій товщі атмосфери і навіть на глибині декількох м грунту.

Нуклони ядер, що вилітають при ядерних зіткненнях, і що не встигли розпастися заряджені піони високої енергії утворюють ядерно-активну компоненту вторинних космічних променів. Багатократне повторення послідовних, каскадних взаємодій нуклонів і заряджених піонів з ядрами атомів повітря, що супроводяться множинною генерацією нових часток (піонів) в кожному акті взаємодії, наводить до лавиноподібного зростання числа вторинних ядерно-активних часток і до швидкого зменшення.

Рис.3. Поглинання космічних променів в атмосфері їх середньої енергії.

Коли енергія окремої частки стає менше 1 Гев, народження нових часток практично припиняється і залишаються (як правило) лише процеси часткового (а інколи повного) розщеплювання атомного ядра з вильотом нуклонів порівняно невеликих енергій. Загальний потік часток ядерно-активної компоненти у міру подальшого проникнення в глиб атмосфери зменшується (мал.3, крива 1), і на рівні моря (Космічні лучи1000 г/см2) залишається менше 1% ядерно-активних часток.

2. Електронно-фотонні зливи і мяка компонента вторинних космічних променів. Утворюються при взаємодіях часток ядерно-активної компоненти з атомними ядрами нейтральні піони практично миттєво розпадаються (унаслідок їх дуже малого часу життя) на два фотони (г) кожен:. Цей процес дає початок електронно-фотонній компоненті космічних променів (вона називається також мякою, тобто що легко поглинається, компонентою). У сильних електричних полях атомних ядер ці фотони народжують електронно-позитронні пари e - e+ (г>e-+e+), а електрони і позитрони, у свою чергу, шляхом гальмівного випромінювання випускають нові фотони (е±>е±+ г) і так далі Такі процеси, що носять каскадний характер, наводять до лавиноподібного наростання загального числа часток - до утворення електронно-фотонної зливи. Розвиток електронно-фотонної зливи наводить до швидкого дроблення енергії р0 на все більше число часток, тобто до швидкого зменшення середньої енергії кожної частки зливи.

рис.4. Каскадні криві

Після максимального розвитку мякої компоненти, що досягається на висоті близько 15 км. (Космічні промені 120 г/см2), відбувається її поступове загасання (мал.3, крива 2). Коли енергія кожної частки стає менше деякого критичного значення (для повітря критична енергія складає близько 100 Мев), переважаючу роль починають грати втрати енергії на іонізацію атомів повітря і комптонівське розсіяння; збільшення числа часток в зливі припиняється, і його окремі частки швидко поглинаються. Практично повне поглинання електронно-фотонної компоненти відбувається на порівняно невеликих товщах речовини (особливо великій щільності); у лабораторних умовах для цього досить мати свинцевий екран завтовшки 10-20 см (залежно від енергії часток).

Основною характеристикою електронно-фотонної зливи є зміна числа часток із збільшенням товщини пройденого речовини - т. з. каскадна крива (мал.4). Відповідно до теорії цього процесу число часток в максимумі каскадної кривої приблизно пропорційно енергії первинної частки. Кути відхилення часток від осі зливи визначаються розсіянням електронів і позитронів, а середній поперечний імпульс складає близько 20 Мев/с.

Разом з р°-мезонами у космічних променях існують і інші джерела утворення електронно-фотонних злив. Це електрони і г - кванти високій енергії (> 100 Мев) первинних космічних променях, а також г - електрони, тобто атомарні електрони, що вибиваються за рахунок прямої електричної взаємодії пройдених крізь речовину швидких заряджених часток космічних променів.

При дуже високих енергіях (1014 ев) електронно-фотонні зливи в земній атмосфері набувають специфічних рис широких атмосферних злив. У таких зливах дуже велике число послідовних каскадів розмноження наводить до сильного зростання загального потоку часток (обчислюваного залежно від енергії багатьма мільйонами і навіть мільярдами) і до їх широкої просторової розбіжності - на десятки і сотні м від осі зливи. У широких атмосферних зливах в поверхні Землі одна частка зливи доводиться приблизно на декілька (2-3) Гев енергії первинної частки, що викликала зливу. Це дає можливість оцінювати по повному потоку часток в зливі енергію тих, що приходять на кордон земної атмосфери "предків" цих злив, що неможливо зробити безпосередньо із-за украй малої вірогідності їх прямого попадання в точку спостереження.

Унаслідок великої щільності потоку часток в широкій атмосферній зливі випускається порівняно інтенсивне направлене електромагнітне випромінювання як в оптичної області спектру, так і в радіодіапазоні. Оптична частина свічення визначається процесом Черенкова - Вавілова випромінювання, оскільки швидкості більшості часток перевищують фазову швидкість поширення світла в повітрі. Механізм радіовипромінювання складніший; він звязаний, зокрема, з тим, що магнітне поле Землі викликає просторове розділення потоків негативно і позитивно заряджених часток, що еквівалентно виникненню змінного в часі електричного диполя.

3. Космічні мюони і нейтрино. Проникаюча компонента вторинного випромінювання. Що виникають в атмосфері під дією До. л. заряджені піони беруть участь в розвитку ядерного каскаду лише при чималих енергіях - до тих пір, поки не починає позначатися їх розпад на льоту. У верхніх шарах атмосфери процеси розпаду стають істотними вже при енергіях ? 1012 ев.

Заряджений піон (з енергією ? 1011 ев) розпадається на мюон м± (заряджену нестабільну частку з масою спокою mм ?207 me, де me - маса електрона, і середнім часом життя ф0 ?2*10-6 сек) і нейтрино н (нейтральну частку з нульовою масою спокою). У свою чергу, мюон розпадається на позитрон (або електрон), Нейтрино і Антинейтрино. Так як швидкості мюонів дуже близькі до швидкості світла з, то, відповідно до теорії відносності, середній час до їх розпаду ф досить великий - пропорційно повній енергії E, і втрачають свою енергію в основному на іонізацію атомів. Тому потік мюонів є проникаючою компоненту космічних променів. Навіть при порівняно помірній енергії космічні промені 10 Гев мюон може не лише пройти крізь всю земну атмосферу (мал.3, крива 3), але і проникнути далеко в глиб Землі на відстані близько 20 м грунту. Максимальна глибина, на якій реєструвалися мюони найбільш високої енергії, складає близько 8600 м в перекладі на водний еквівалент.

Таким чином, одночасно з розвитком описаного вище ядерного каскаду відбувається (за рахунок процесу в атмосфері розпаду р0) його "обростання" електронно-фотонною компонентою, а також (за рахунок розпадів р+ і р-) - проникаючою мюонною компонентою (мал.5).

Рис.5. Схема ядерно-каскадного

Висока проникаюча здатність у поєднанні з прямо пропорційним щільності речовини коефіцієнт поглинання при помірних енергіях (десятки і сотні Гев) робить проникаючу компоненту космічних променів дуже зручним засобом для підземної геофізичної і інженерної розвідки. Вимірюючи інтенсивність космічних променів телескопом лічильників в штольнях і порівнюючи отримані дані з відомими кривими поглинання космічних променів у воді або грунті, можна виявляти або уточнювати положення рудних пластів і порожнеч, а також вимірювати вагове навантаження на грунт від споруд, що стоять на нім.

При енергіях близько 1012 ев і вище разом з іонізаційними втратами енергії мюонів стають усе більш істотними втрати енергії на утворення електронно-позитронних пар і гальмівне випромінювання, а також на прямі взаємодії з атомними ядрами речовини. Внаслідок цього на глибинах 8 км. водного еквіваленту під кутами 50° до вертикалі потік космічних мюонів виявляється дуже малим. Експерименти, що проводилися з 1964 в шахтах Індії і Південної Африки з установками величезної площі, дозволили виявити на цих глибинах під кутами > 50° додатковий потік мюонів, єдиним джерелом яких могли бути лише взаємодії нейтрино з атомними ядрами речовини. Ці досліди були унікальною можливістю вивчення властивостей самій проникаючій - нейтрино - компоненти космічних променів. Найбільш важливою проблемою при цьому є вивчення взаємодії нейтрино надвисоких енергій з речовиною; зокрема, для зясування структури елементарних часток особливий інтерес представляє дослідження збільшення поперечного переріза взаємодії (зменшення "прозорості" речовини) із зростанням енергії нейтрино. Таке зростання переріза взаємодії нейтрино встановлене на прискорювачах до енергій 1010 ев. Дуже поважно досліджувати, чи продовжуватиметься це зростання перетину аж до енергій 1015 ев (відповідних характерній відстані слабких взаємодій 6*10-17см).

Виміри потоків сонячних нейтрино значно нижчих енергій (Космічні промені 1 Мев) дозволять підійти до рішення і інший, космофізичною, проблеми фізики нейтрино. Це звязано з використанням величезної проникаючої здатності нейтрино для непрямого виміру температури надр Сонця, від якої залежить характер ядерних реакцій, що протікають в нім, - основного джерела сонячної енергії.

Делись добром ;)