Космические лучи

В итоге возникает ядерно-каскадный  процесс размножения частиц ядерной  материи. Именно этот механизм образования  ядерного каскада и был открыт Г.Т. Зацепиным. При высоких энергиях выше 10¹⁵ эВ ядерный каскад частиц, развивающийся в атмосфере Земли, получил название широкого атмосферного ливня (ШАЛ). 

По мере прохождения ливня  через атмосферу сначала нарастает  доля ядерно-активных частиц, достигая максимума уже на самолетных высотах (~(10-12) км), а затем уменьшается  вследствие потери ими энергии на рождение новых ядерных частиц. Заряженные пионы - частицы нестабильные, они  уже в верхних слоях атмосферы  распадаются на тяжелые электроны  – мюоны ( )  и нейтрино ( ).  Эта часть каскада носит название адронного ливня. Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию.

Существенно отличается от описанной картины прохождение  через атмосферу Земли нейтральных  пионов. Их путь в атмосфере чрезвычайно  мал - лишь доли миллиметров. Такие пионы  распадаются на два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии). Каждый из гамма-квантов, обладающий большой энергией, образует электронно-позитронную пару. Электроны и позитроны, в свою очередь, в полях атомных ядер встречных атомов тормозятся и испускают новые гамма-кванты и т.д. Таким образом, снова возникает каскад частиц, называемый электронно-фотонным (электромагнитным) ливнем (каскадом). Адронный ливень сам производит нейтральные пионы, тем самым обеспечивая дополнительный вклад в электромагнитный каскад. В итоге развития широкого атмосферного ливня число электронов и гамма-квантов в ливне становится фантастически большим, достигая миллионов и даже миллиардов частиц.

 
Каскадный процесс взаимодействия первичных космических лучей  с атмосферой – рождение вторичной  компоненты космических лучей (так  называемые “широкие атмосферные ливни”).

Таким образом, мы видим, что  атмосфера Земли оказывает большое  влияние на первичные космические  лучи. В глубине атмосферы существенно  уменьшается не только число частиц первичных космических лучей, но и изменяется природа самих частиц. Так, на уровне моря интенсивность вторичных космических лучей примерно в 100 раз меньше интенсивности первичного излучения, причем в них практически отсутствуют ядерные частицы. Их заменили лептоны - мюоны, электроны, g-кванты и нейтрино.

Наряду с заряженными  первичными частицами в атмосферу  могут попадать космические гамма-кванты высоких энергий. В этом случае ливень частиц будет чисто электромагнитным.

Вторичные заряженные частицы  – электроны и позитроны, рожденные в каскадном процессе, могут создавать черенковское и флюоресцентное свечение атмосферы.    

Частицы, составляющие вторичные космические лучи

Пио́н, пи-мезо́н — три вида субатомных частиц из группы мезонов (мезон – бозон, т.е. частица с целым значением спина, сильного взаимодействия). Обозначаются π⁰, π+ и π−. Имеют наименьшую массу среди мезонов. Открыты в 1947 году. Пионы имеют нулевой спин и состоят из пары кварк-антикварк первого поколения. Согласно кварковой модели u- и анти-d-кварки формируют π+-мезон, из d и анти-u-кварков состоит его античастица, π−-мезон. Электрически-нейтральные комбинации u и анти-u и d и анти-d могут существовать только в виде суперпозиции, так как они имеют одинаковый набор квантовых чисел. Низшее энергетическое состояние подобной суперпозиции есть π⁰ мезон, который является античастицей для себя самого (истинно нейтральная частица, подобно фотону).

Мезоны   имеют массу 139,6 MэВ/c² и относительно большой, по ядерным меркам, период полураспада 2,6·10^-8 секунды. Доминирующим (с вероятностью 99,9877 %) является канал распада в мюон и нейтрино или антинейтрино:

Следующим по вероятности  каналом распада заряженных пионов является сильно подавленный (0,0123 %) распад на позитрон и электронное нейтрино ( ) для положительного пиона и электрон и электронное антинейтрино ( ) для отрицательного пиона.

Нейтральный пи-мезон   имеет немного меньшую массу 135,0 MэВ/c² и гораздо меньший период полураспада 8,4·10^-17 секунды. Главным (вероятность 98,798 %) является канал распада в два фотона:

Мюо́н в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2.

Вместе с электроном, тау-лептоном и нейтрино классифицируется как

часть лептонного семейства фермионов. Как и все фундаментальные частицы, мюон имеет античастицу с зарядом противоположного знака, но с равной массой и спином: антимюон.  Мюон не обладает ядерным зарядом, эта частица по своим свойствам действительно близка к электрону, хотя и обладает в 207 раз большей массой. Свою энергию мюоны расходуют очень слабо, только на ионизацию атомов воздуха атмосферы Земли. Поэтому уже на уровне моря практически все пионы вторичных космических лучей замещаются мюонами. Время жизни мюона 2,19703(4)·10⁻⁶ c, схема распада .

Нейтрино – нейтральные частицы семейства лептонов. Известны три разновидности нейтрино: электронное (ν_е), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), а также соответствующие им антинейтрино. Все они имеют спин 1/2ћ и участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии. У каждого типа нейтрино есть своё лептонное квантовое число: электронное лептонное число Lе = +1 для электронного нейтрино, мюонное лептонное число Lμ = +1 для мюонного нейтрино и тау-лептонное число Lτ = +1 для тау-нейтрино. Для соответствующих антинейтрино знаки этих лептонных чисел отрицательны. Нейтрино либо безмассовы, либо имеют очень маленькие массы. Так из опыта по бета-распаду трития верхняя граница массы электронного нейтрино 2 эВ/с2 (3.6·10-33 г).

Поскольку нейтрино не участвует  в двух самых интенсивных взаимодействиях (сильном и электромагнитном), то вероятность его взаимодействия с веществом чрезвычайно низка. Нейтрино может без взаимодействия преодолевать тысячи километров вещества и намного превосходит этой способностью любые другие известные частицы. 

Нейтрино столь же распространено в окружающем мире, как и фотоны. Они испускаются атомными ядрами при бета-распаде и нестабильными  частицами, генерируются космическими лучами в атмосфере Земли, рождаются  внутри Солнца и других эвёзд, при взрывах сверхновых.

Фотон – фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы. Фотон имеет определенную энергию Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10-15 эВ·сек, ν – частота электромагнитных колебаний) и импульс, величина которого р = Е/с (с – скорость света, с которой всегда движется фотон в пустоте). Такие фотоны, называемые реальными фотонам, переносят энергию электромагнитного излучения и, в зависимости от этой энергии, выступают в виде радиоволн, обычного света, рентгеновских лучей и гамма-квантов. 

Применение

Роль космических лучей в  ядерной физике и астрофизике

Долгое время космические  лучи были основным источником частиц высоких энергий для изучения процессов, происходящих при их взаимодействиях  с атомными ядрами, пока не вступили в строй ускорители частиц, позволившие значительно точнее изучать эти явления. Однако, максимальная измеренная энергия космических лучей ~10²¹ эВ. Даже наиболее мощный ускоритель частиц, расположенный в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований – СERN – LHC (Большой адронный коллайдер), не сможет приблизиться к энергиям космических лучей, достижимых в природе, - он будет ускорять частицы до 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт).

В развитии современной физики высоких энергий (физики элементарных частиц) космические лучи сыграли  роль прародителей этой области физики. Они явились источником крупнейших открытий XX века: открытия антиматерии (позитрона), тяжелых электронов (мюонов), открытия, как думали раньше, основного носителя ядерных сил - пиона, который играет ведущую роль в ядерных процессах, открытия странных частиц и чармированных частиц. Их изучение привело к открытию процесса множественного рождения частиц, открытиям электромагнитного и ядерно-каскадного процессов при прохождении частиц через вещество. Как известно, после создания ускорителей электронов, протонов и атомных ядер исследование элементарных частиц и их свойств переместилось из космических лучей на ускорители. Космическим лучам сейчас отведена другая существенная роль - поставлять частицы сверхускорительной энергии для детальной разведки того, что при сверхвысоких энергиях видно нового и необычного по сравнению с тем, что уже открыто и известно из работ на ускорителях.

Роль космических лучей в  изучении дальнего и ближнего космоса

Здесь разделяются два  направления. Первое - это изучение солнечных космических лучей  и околоземного пространства. Нет  нужды говорить, как важно нам, землянам, познать наше Солнце. Солнечно-земные связи, их изучение и являются предметом  этих исследований. В России, США, Канаде и ряде других стран создана специальная  сеть станций по регистрации интенсивности  космических лучей, работающих в  тесном контакте с астрономами, проводящими  исследования Солнца и других звезд как в оптической области, так и в радиодиапазоне, гамма-диапазоне, на нейтринных обсерваториях. Станции регистрации космических лучей расположены на уровне моря, на уровне гор, в подземных лабораториях, на искусственных спутниках Земли и шарах-зондах. Так, в Физическом институте им. П.Н. Лебедева вот уже более 40 лет в стратосферу ежедневно запускаются шары-зонды. Такие опыты начаты еще на заре исследований космических лучей академиком С.И. Верновым и его школой. Систематические измерения дали много новых сведений, в частности показали, что увеличение интенсивности космических лучей приводит к нарушению радиосвязи на Земле на коротких волнах, а крупные вспышки на Солнце сопровождаются потоками радиации, опасными для здоровья космонавтов.

Многолетние опыты зондирования солнечных космических лучей  показали, что магнитное поле Солнца в отличие от магнитного поля Земли  периодически меняет свое направление, то есть происходит его переполюсовка. Причина этого интересного явления пока еще не установлена.

Доказано также, что солнечные  космические лучи образуются в верхних  слоях Солнца и это явление  тесно связано с протеканием  на Солнце мощных электрических токов, связанных с образованием пятен  на Солнце. Подобные исследования сейчас интенсивно проводятся на шарах-зондах и искусственных спутниках Земли. Несомненно, они проливают свет на многие стороны деятельности нашей ближайшей звезды - Солнца.

Не менее велика роль всестороннего  исследования галактических космических  лучей для изучения нашей Галактики, Метагалактики, межзвездного вещества, магнитных полей в них и  грандиозных катаклизмов - вспышек  сверхновых, галактических ядер, квазаров и радиогалактик. Недаром один из известных исследователей космических  лучей, академик А.И. Алиханян, говорил, что космические лучи являются "золотым  Эльдорадо" как для физиков, исследующих  ядерные процессы сверхвысоких энергий, так и для физиков, изучающих  звезды, Галактику и всю нашу Вселенную. Роль этих исследований со временем только возрастает.

«Рентгеноскопия»

Для более точных прогнозов  времени извержения вулканов весьма неплохо бы было иметь, помимо косвенных  данных, визуальные снимки того, что  же происходит внутри самого вулкана  и под поверхностью Земли в  близлежащих районах. Поскольку  у людей нет еще рентгеновских  аппаратов, способных сделать снимок целой горы, ученые начали использовать для этого космическое излучение, лучи, приходящие из глубин Вселенной, в качестве системы получения  изображений. 

Двигающиеся мюоны из-за своих малых габаритов и массы  проходят через материю, практически  не задерживаясь. Но все-таки некоторым  из них удается столкнуться с  ядром атома вещества и остановиться. В принципе, практически то же самое происходит в рентгеновском кабинете при движении фотонов рентгеновского излучения через тело человека. Более плотные части тела останавливают большее количество фотонов, благодаря чему можно получить на пленке изображение внутренних органов. 

Используя мюоны можно  использовать технологию, подобную рентгеноскопии, для получения изображений внутренностей  всего чего угодно, независимо от размеров, в том числе и вулканов. Вместо фотопленки, используемой при рентгеноскопии, используются два параллельных мюонных датчика, размещенных неподалеку от вулкана. Эти датчики отслеживают движение мюонов и отбирают из общей массы мюоны, прошедшие через два датчика. Естественно, что количество прошедших сквозь тело вулкана мюонов будет зависеть от плотности материи и, расположив множество датчиков вокруг вулкана или двигая пару датчиков по заданной траектории, можно постепенно создать трехмерную картину процессов, происходящих внутри вулкана.  
 
Такая технология использовалась для проведения съемки внутренностей жерла вулкана Везувий, вулкана, который уже в течение очень долгого времени держит в напряжении итальянцев, живущих в непосредственной близости от вулкана. В настоящее время группа американских ученых в рамках программы «NOVA-program» (см.http://www.pbs.org/wgbh/nova/earth/deadliest-volcanoes.html) проводит такие исследования вулканов по всему миру.

Этот метод в настоящее  время используется также для  исследования пирамид: поиска в них  скрытых полостей (тайных комнат, тоннелей). Впервые подобная идея была предложена Луисом Альварезом в 1960-х, однако в то время ученый не смог добиться успеха. Также технология может применяться для обнаружения незаконно ввозимых радиоактивных материалов. Эта возможность сейчас активно исследуется. При проработке этой идеи ученые полагаются на то, что незаконно перевозимые радиоактивные материалы обычно прикрывают чем-то плотным, например свинцом или золотом. В таком случае и  ядерный материал, и материал прикрытия будут отклонять многие из поступающих мюонов, создавая отчетливый рисунок на экране. Используя детекторы под и над грузовым контейнером или грузовиком группа ученых показала, что они могут выявить прикрытые чем-либо радиоактивные материалы за 60 секунд с вероятностью ошибки около 3%. Причем, чем сильнее радиоактивные материалы прикрыты, тем легче определить их таким способом. В противном случае, радиоактивные материалы могут быть легко выявлены с помощью счетчиков Гейгера или детекторов гамма-излучения.