Космические лучи

Космические лучи –поток заряженных частиц высокой энергии, приходящих к Земле со всех направлений космического пространства. Важной особенностью космических лучей составляет нетепловое происхождение их энергий достигающих 10¹¹ Гэв. Поток первичных космических лучей падающих на границу атмосферы составляет ~ 1частицу/см²сек. Первичные космические лучи падающие на внешнюю границу атмосферы Земли состоят из солнечных космических лучей, галактических и метагалактических космических лучей. При вхождении их в атмосферу Земли сталкиваясь с атомами воздуха возникают вторичные космические лучи, которые регистрируются приборами.

Существование космических лучей было установлено по ионизации воздуха с высотой над поверхностью Земли (В.Гесс, 1912 г.). Отклонение лучей в магнитном поле свидетельствует, что первичные лучи являются заряженными частицами. Их энергия лежит в диапазоне 10⁶÷10²⁰ эв. Поток первичных космических лучей падающих на границу атмосферы составляет ~1 частица/см² сек. Состав космических лучей: протоны ~90%, ядра гелия ~7%, ядра элементов (10 <Z< 30) ~ 1%, электроны <1% с энергией1Гэв и γ-кванты с интенсивностью ~10 фотон/м²сек и энергией 50Мэв. Солнечные космические лучи в среднем имеют энергию< 400 Мэв и интенсивность при вспышке на Солнце ~10⁶част/см²сек.

Первичные космические лучи в атмосфере создают ливни вторичных космических лучей, которые тратят свою энергию на ионизацию атмосферы. Средний массовый пробег протонов в атмосфере до ядерного взаимодействия составляет ≈ 80 г/см², что составляет 1/13 часть всей толщины атмосферы. Вторичные космические лучи на уровне моря содержат ядерно-активную компоненту, мюонную компоненту, и электронно-фотонную компоненту (см. рис.2.25 )

Ядерно-активная компонента состоит из протонов, нейтронов и пионов. На уровне моря остается менее 1% ядерно-активных частиц.

Жесткая мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных пионов . Высокоэнергетические мюоны обладают большой проникающей способностью, доходят до уровня моря и регистрируются на глубине 1км.

Мягкая электронно-фотонная компонента возникает при распаде нейтрального пиона . В кулоновском поле ядра каждый гамма-квант рождает электрон-позитронную пару .

Источниками галактических космических лучей являются вспыхивающие сверхновые звезды. Космические лучи с энергиями 10¹⁷ эв ускоряются во внегалактических источниках , например за счет движущихся магнитных неоднородностей (модель Ферми). Основной вклад в радиационный фон у орбиты Земли вносят солнечные космические лучи и заряженные частицы находящиеся в радиационных поясах Земли.

Радиационные пояса Земли состоят из областей с высокой концентрацией протонов и электронов, которые удерживаются магнитным полем Земли имеющим форму диполя, и охватывают Землю «как кожура яблоко».

Изучение космических лучей дает ценные сведения об электромагнитных условиях в различных областях космического пространства. Сами космические лучи являются уникальным источником частиц сверхвысоких энергий не доступных современным ускорителям.

Рис.2.25. Протон первичного космического излучения сталкиваясь с атомом атмосферы рождает нуклоны и заряженные пионы образующие ядерно-активную компоненту вторичного излучения -3. Заряженные пи-мезоны распадаясь рождают мюонную и нейтринную компоненты 2. Нейтральные пионы распадаясь рождают каскады гамма-квантов образующие электрон-позитронные пары -1.