Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц − пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.     В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.     Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

π0 → 2γ , π+ → μ+ + νμ, π− → μ− + μ,     Мюоны в свою очередь могут распадаться μ+ → e+ + νe + μ, μ− → e− + e + νμ.     Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.     Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109 вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента − в области ~100 м, мюонная − нескольких сотен метров.     Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1).

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня

    Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 10¹⁶ эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E^-2.7. Особый интерес представляют области энергий 10¹⁵-10¹⁶ эВ так называемое "колено" (knee) и 10¹⁸-10¹⁹ - "лодыжка" (ankle), в которых наблюдаются аномалии.
    Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~10⁹ лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.

Рис. 5. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени, полученная при исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов

Смотрите также

• Ю.И. Стожков "Космические лучи в атмосфере Земли"
• А. Петрукович, Л. Зеленый У природы есть и космическая погода
• C. Caso et al, The European Physical Journal C3 (1998) 1 (Cosmic Rays by T.K. Gaisser and T. Stanev)
• What are cosmic rays? (Laboratory of Hight Energy Astrophysics at NASA)
•  Г.Е. Кочаров "Экспериментальная палеоастрофизика: достижения и перспективы"