Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
§9.1 Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
| §9.1 Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли
Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные первичные КЛ (протоны и др. ядра) испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в основном азота и кислорода). В результате взаимодействия происходит расщепление ядер и рождение нестабильных элементарных частиц (т.н. множественные процессы). Средний пробег до ядерного взаимодействия в атмосфере для протонов , что составляет 1/13 часть всей толщи атмосферы, следовательно, протон успевает несколько раз вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных КЛ крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и свойствами на ядерно-активную (адронную), мюонную (жесткую) и электронно-фотонную (мягкую) компоненты. В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все элементарные частицы, среди которых главную роль играют π-мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны (p,n) и не успевшие распасться π±-мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до ~109 эВ. На уровне моря остается < 1% ядерно-активных частиц. Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженныхπ±-мезонов [ ]. Получающиеся в результате распада высокоэнергичных пионов релятивистские мюоны имеют очень большую проникающую способность, поскольку у них малы как ионизационные (что справедливо для всякой релятивистской частицы), так и радиационные (из-за большой массы покоя). Высокоэнергичные мюоны доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Возникновения электронно-фотонной компоненты связано с распадом πо-мезонов: . В кулоновском поле ядер каждый γ-фотон рождает е- и е+- пару ( ). За счет тормозного излучения этой пары вновь возникают γ-фотоны, которые рождают в свою очередь, электронно-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока при некоторой критической энергии (~72 МэВ в воздухе) преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии γ-фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Каскады, образующиеся при КЛ с энергией >1014 эВ, содержат 106-109 частиц; они называются широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводятся исследования КЛ в области сверхвысоких энергий. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. 1- элекронно-фотонная, 2- мюонная, 3- нуклонная компоненты. Прохождение космических лучей. Гипотезы о прохождении КЛ опираются на имеющиеся экспериментальные данные о первичном излучении и на результаты радиоастрономических исследований. Для ГКЛ, наблюдаемых у Земли, характерна высокая степень изотропии: с точностью до 0,1% интенсивностью частиц с по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях амплитуда анизотропии постепенно растет, и в интервале с достигает несколько десятков %. Изредка, в основном для мягкой части компоненты КЛ происходит нарушение изотропии и постоянства ее интенсивности. Эти аномалии частично связаны с колебаниями активности Солнца и обусловлены местным изменением галактического магнитного поля. Таким образом, некоторая доля сравнительно мягких космических лучей проходит к нам от Солнца. По современным представлениям, основная доля КЛ имеет галактическое происхождение, и лишь частицы очень высоких энергий (выше 1017 эВ), возможно зарождаются вне нашей галактики. Из-за высокой изотропии ГКЛ наблюдения у Земли не позволяет однозначно установить, где они рождаются и как распределены во Вселенной. Ответить на эти вопросы смогла радиоастрономия в связи с открытием космического синхротронного излучения (магнитотормозное излучение релятивистских электронов) в диапазоне радиочастот f=107-109гц. В галактических магнитных полях релятивистские электроны движутся подобно другим заряженным частицам высокой энергии (протонам и более тяжелым ядрам), но отличие от них, благодаря малой массе, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удаленных частях галактики, являясь индикаторами КЛ вообще. Релятивистские электроны занимают протяженную область, охватывающую всю галактику. Кроме общего галактического радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки сверхновых звезд, пульсары, ядро галактики, квазары. Естественно ожидать, что все эти объекты являются источниками КЛ.их магнитные поля отличаются большой напряженностью, поэтому электроны в таких полях могут генерировать также рентгеновское излучение синхротронной природы, которое дает дополнительную информацию об источниках КЛ. Важным индикатором источников КЛ являются космические γ-излучения, возникающее за счет распада нейтральных пионов, образующихся при столкновениях КЛ с частицами межзвездного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магнитных полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник КЛ. в отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения КЛ, распределение γ-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звезд. Этот факт свидетельствует в пользу гипотезы о том, что сверхновые являются источником КЛ. Но не следует исключать некоторого вклада др. галактических источников КЛ, в частности пульсаров, где возможно ускорение до весьма высоких энергий, и галактические ядра, где идут взрывные процессы, аналогичные взрывам сверхновых. КЛ с , скорее всего, ускоряются во внегалактических источниках. Рис.9.2
Механизмы ускорения. Вопрос об ускорении частиц до высоких энергий (превращении энергии магнитного поля и движений плазмы в энергию быстрых частиц) в деталях еще далек от окончательного решения. Однако в общих чертах принципиальная сторона процесса ускорения ясна. Чтобы свершился элементарный акт приращения энергии заряженных частиц, необходим источник энергии в виде электрического поля. В космической плазме не могут существовать сколько-нибудь значительные электростатические поля, которые бы ускоряли заряженные частицы за счет разности потенциалов между точками поля. Но в плазме могут возникать электрические поля импульсного или индукционного характера. Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, пока не найден универсальный механизм ускорения или комбинации механизмов, которые смогли бы объяснить все особенности спектра и зарядового состава КЛ. По-видимому, в космосе существует некоторая иерархия ускорительных механизмов, которые работают в различных комбинациях или в различной последовательности в области ускорения. Наряду с огромной ролью КЛ в астрофизических процессах, необходимо отметить их значения для изучения далекого прошлого Земли (истории климата, эволюции биосферы и т.д.) и для решения некоторых практических задач современности (обеспечение радиационной безопасности космических полетов, оценка возможного вклада КЛ в метеоэффекты и т.д.). Основной вклад в общий радиационный фон у орбиты Земли вносят солнечные КЛ. жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|