Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






С веществом






 

При столкновении протонов и других ядер первичных космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы происходит частичное расщепление этих ядер и множественное рождение элементарных частиц, в основном p-мезонов (пионов) – заряженных p+ и p со временем жизни t ≈ 2, 5 × 10–8 с и нейтральных p0 с t ≈ 0, 8 × 10–16 с.

С вероятностью в 5–10 раз меньшей рождаются K-мезоны (каоны), с ещё меньшей (~ 1 %) – гипероны и антипротоны, с пренебрежимо малой вероятностью – электроны и мюоны.

Для понимания общей картины образования вторичных космических лучей и прохождения через атмосферу необходимо рассматривать каскад последовательных распадов и взаимодействий рождающихся пионов и каонов вместе с быстрыми нуклонами, сохраняющими часть той энергии, которую они имели до взаимодействия с ядрами вещества (рисунок 23).

Вторичные нуклоны в процессе столкновений с атомными ядрами атмосферы рождают новые пионы и каоны. Заряженные пионы и частично каоны, распадаясь, образуют мюоны к нейтрино, давая начало проникающей компоненте вторичных космических лучей.

Благодаря тому, что мюоны при энергиях ≤ 1012 эВ теряют энергию в основном на ионизацию атомов вещества (2 × 106 эВ в слое толщиной 1 г/см2), их пробег почти пропорционален энергии и достигает 1 км грунта.

 
 

 

 


Рисунок 23 – Схема ядерного каскада, возникающего в атмосфере Земли

при попадании в нее частиц космических лучей

 

Мюоны существенно большей энергии поглощаются по экспоненциальному закону и проникают в грунт до 3–5 км. Нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии, практически беспрепятственно проходят сквозь весь земной шар, и только эти частицы могут быть причиной очень редких процессов высокой энергии на глубинах 5 км под поверхностью Земли.

Заряженные пионы достаточно высокой энергии ~ 1012 эВ вследствие релятивистского эффекта замедления времени не успевают распадаться на мюоны и наряду с нуклонами продолжают разветвленный каскад взаимодействий с новыми атомными ядрами атмосферы. При этом образуется ядерно-активная компонента вторичных космических лучей. Развитие этого каскада прекращается при энергии частиц ~ 109 эB, когда они перестают участвовать в процессах множественного рождения частиц.

Нейтральные пионы при Е ~ 1018 эВ распадаются на два g‑ кванта каждый, давая начало мощной лавине электромагнитных процессов размножения частиц. Развитие этой лавины идет через последовательные превращения фотона в электрон-позитронную пару и тормозное излучение фотонов электронами и позитронами в сильных электрических полях ядер атомов атмосферы. Эта электронно-фотонная компонента космических лучей называется мягкой компонентой, т. е. легко поглощаемой особенно в тяжелых веществах. Однако существует сравнительно слабая равновесная электронно-фотонная компонента даже на больших глубинах, которая возникает от взаимодействия мюонов высокой энергии с веществом.

При энергиях 1014–1015 эВ и выше процесс образования частицами космических лучей ядерного каскада в атмосфере приобретает некоторые специфические черты. Такой каскад, сопровождаемый развитием вторичных электронно-фотонных лавин с достаточно высокой плотностью числа частиц (~ 1 частица на 1 м2) на расстоянии до 200–300 м и более от оси каскада, получил название широкого атмосферного ливня.

Большое число (порядка 10) «поколений», последовательных процессов множественного рождения частиц в широком атмосферном ливне приводит к тому, что общее число частиц в нем достигает многих миллионов. В первом приближении можно считать, что на каждую заряженную частицу ливня (в основном электрон или позитрон) приходится (2 – 3) × 109 эВ энергии первичной частицы. Поэтому подсчёт общего числа заряженных частиц в таком ливне дает достаточно точную оценку энергии первичной частицы, вызвавшей ливень, которую никакими прямыми методами измерить нельзя. Развитие широкого атмосферного ливня начинается на высоте порядка 20–25 км над уровнем наблюдения, так что его частицы успевают разойтись на большие расстояния. Число частиц в ливне быстро спадает по мере удаления от оси. Изучая характер пространственного распределения частиц, можно определить положение оси и оценить поперечные импульсы, которые получали частицы в процессе множественного рождения.

Экспериментальные данные позволяют предположить, что при сверхвысоких энергиях поперечные импульсы могут иногда на порядок превышать их нормальную величину. Немногочисленные данные о широком атмосферном дожде в стратосфере показывают, что его развитие происходит значительно быстрее, чем дают модельные расчёты, основанные на данных, полученных с помощью ускорителей (для энергий ~ 1012 эВ), т. е. средняя множественность рождения частиц в ядерных взаимодействиях возрастает с энергией сталкивающихся частиц существенно быстрее, чем при меньших энергиях. Состав частиц широкого атмосферного дождя в области энергий > 1010 эВ значительно отличается от ожидаемого при условии сохранения масштабной инвариантности энергетических спектров: мюонов оказывается слишком много, а адронов слишком мало; эту особенность можно в принципе объяснить высокой средней множественностью рождения частиц, так как при этом энергия пионов очень быстро уменьшается и они на более ранней ступени развития широкого атмосферного ливня успевают распадаться на мюоны и нейтрино. Некоторые указания получены и на возрастание с увеличением энергии роли прямой генерации лептонов.

Интенсивный поток частиц высокой энергии, движущихся почти параллельным пучком, приводит к появлению электромагнитного излучения Вавилова – Черенкова, пространственная и временная зависимость которого дает дополнительную информацию о продольном развитии широкого атмосферного ливня в атмосфере и, следовательно, о характере взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.