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) почти 1030 г/см вещества, в то время как в космосе весь их путь составил 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 - π, 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 > 10¹² эВ может испытать до десятка таких последовательных столкновений с ядрами атомов воздуха. Рожденные в этих взаимодействиях заряженные пионы π± затем или распадаются или могут сами провзаимодействовать с ядрами. Время жизни заряженных пионов - τ ~ 2∙10^-8 с, а распадаются они с образованием мюоннной компоненты и нейтрино:

,

.

Нейтральные пионы π⁰ из-за малого времени их жизни τ ~ 10⁻¹⁶ с практически сразу распадаются на два гамма-кванта, давая, тем самым, начало электронно- фотонной компоненте (π⁰ → ). Действительно, энергия, которую получает эта пара квантов, много больше массы нейтрального пиона π° (~ 135 МэВ), и, следовательно, для таких γ-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 γ-кванты, т. е. опять e⁺е⁻-пару и т. д. Таким образом в воздухе появляется электронно-фотонный каскад.

Итак, мы видим, что в атмосфере развивается, во-первых, каскад из ядерно-активных частиц (пионы, каоны, нуклоны и т. д.) и, во-вторых, электронно-фотонный каскад за счет процессов тормозного излучения и образования пар (рис. 5.9).

Однако 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. Например, для заряженных пионов можно показать, что распадный процесс для них станет преобладающим, когда их энергия достигнет некоторой критической величины , где h - геометрическая длина относительно ядерного взаимодействия. Значение E_кр можно найти из условия равенства геометрической длины h пробегу относительно распада L_расп:

,

но энергия пионов Е_кр равна

,

и тогда

,

где - время жизни покоящегося пиона , - энергия покоя пиона. Для нижних слоев атмосферы h~0,6 км и Е_кр~10¹⁰ эВ.

В случае электронно-фотонных каскадов диссипация энергии идет за счет ионизационных потерь электронов и комптон- и фотоэффекта для фотонов. Развитие электронно-фотонных каскадов продолжается до тех пор, пока ионизационные потери электрона на одной радиационной длине не станут равными энергии E_кр самой частицы. В воздухе значение критической энергии равно 81 МэВ.

Выше уже упоминалось, что в результате распада заряженных пионов в атмосфере появляются мюоны. Мюон - частица нестабильная: его время жизни составляет ~2∙10⁻⁶ с. μ⁻ и μ⁺ являются частицей и античастицей. Схемы их распадов зарядово-сопряженные: μ⁻ распадается на электрон e⁻, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино . μ⁺ распадается на позитрон e⁺, мюонное антинейтрино и электронное нейтрино .

Масса и энергия покоя мюона соответственно равны m_μ = 210m_e и 105 МэВ.

Максимальная генерация мюонов приходится на высоту ~ 10-20 км. Основными процессами, за счет которых мюоны поглощаются в атмосфере, являются распад и ионизационные потери. Посмотрим, какое расстояние сможет пролететь, не распавшись, мюон, имеющий, например, энергию E ~ 2∙10⁹ эВ или скорость βc (β ~ 1), т. е. найдем его распадный пробег. Время жизни такого мюона равно:

.

Тогда

км.

Теперь видим, что до уровня моря с высоты преимущественной генерации мюонов (~ 20 км) могут долететь лишь частицы с энергией E > 2∙10⁹ эВ.

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 δ-электронами. δ-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 мюонами, 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:

.

Следовательно, энергия E₀, 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. Ядерно-активные частицы быстро поглощаются в атмосфере. 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 ∙ 10⁻²см⁻²с⁻¹ср⁻¹,

J_м = 0, 31 ∙ 10⁻²см⁻²с⁻¹ср⁻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 α-частиц.

При сверхвысоких энергиях первичной частицы (E₀ > 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 в 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:

• распад нейтральных пионов с последующим образованием электронно-фотонного каскада;
• распад мюонов;
• образование δ-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.