Космические лучи

Космические лучи (космическое излучение) - частицы, заполяющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. австрийским физиком В. Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей ~3^.10²⁰ эВ, т.е. на несколько порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках (максимальная эквивалентная энергия Теватрона ~2^.10¹⁵ эВ, LHC - около 10¹⁷ эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Ряд элементарных частиц впервые был
обнаружен именно в космических лучах (позитрон - К.Д. Андерсон, 1932 г.; мюон (μ) – К.Д. Андерсон и С. Неддермейер, 1937 г.; пион (π) - С. Ф. Пауэлл, 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.
Различают следующие типы космических лучей (рис. 1):

Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.

Рис. 1. Галактические и солнечные космические лучи.

    Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают также метагалактические космические лучи - космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.
    Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет ~1 частица/см^2.с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей ~1 эВ/см³, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи – важный компонент Галактики.
    Состав космических лучей приведен в таблице.

Характеристики первичных космических лучей
(галактических и солнечных)

Галактические
космические лучи
Солнечные
космические лучи

Поток
~ 1 см^-2·с^-1
Во время солнечных вспышек может достигать ~10⁶ см^-2·с^-1

Состав

Ядерная компонента -
~95% протонов, ~4-5% ядер гелия, <1% более тяжелых ядер

Электроны (~1% от числа ядер)

Позитроны (~10% от числа электронов)

Антиадроны <1%

98-99% протоны,
~1.5% ядра гелия

Диапазон
энергий 10⁶ - 3^.10²⁰ эВ 10⁵ - 10¹¹ эВ

     На рис.2 слева показаны энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. На рис 2 справа показаны вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ в атмосфере Земли. Кроме протонов и электронов все частицы возникли в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы.

Рис. 2. Состав и характеристики космических лучей. Слева - энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. Справа - вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ на разных глубинах атмосферы 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 в результате распадов.

π⁰ → 2γ ,
π⁺(или K⁺) → μ⁺ + ν_μ,
π^-(или K^–) → μ^– + _μ,
    K^+,–,0 → 2π,
μ⁺ → e⁺ + ν_e + _μ,
μ^– → e^– + _e + ν_μ.

    Образующиеся при распаде нейтральных пионов -кванты рождают электрон-позитронные пары и -кванты последующих поколений. 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 (~0.01 см^-2·с^-1) примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей.
    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 при взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации.

.

См. также

"Космические лучи. Их состав и происхождение"

"Странники Вселенной или эхо Большого взрыва"

Космические лучи

Космические лучи

Космические лучи ультравысокой энергии и реликтовое и реликтовое излучение во Вселенной

Возможности изучения фундаментальных взаимодействий на ускорителях и в космических лучах

К столетию открытия космических лучей

Основные факторы космической погоды

Космическое излучение на уровне моря

Геоэффективность солнечной активности и космическая погода

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли

Космические лучи Cosmic rays

Космические лучи
_{Cosmic rays}