1.2 Вторинні космічні промені

При бомбардуванні космічними частинками з енергією більше 10¹¹ –10¹² еВ ядер атмосферних азоту і кисню відбуваються ядерні реакції з вильотом багатьох частинок (множинне народження) знову ж високої енергії (рис.1). При цьому утворюються переважно ядерно активні піони (⁺–,^––, ⁰–мезони, які є носіями ядерної взаємодії, нуклон-антинуклонні пари, високоенергетичні нуклони, K–мезони та ін.). Середній пробіг протонів первинного космічного випромінювання до моменту непружної взаємодії з ядром атмосферного газу (ядерний пробіг) складає близько 60 г/см². Це значно менше пробігу відносно втрат енергії на іонізацію середовища (іонізаційного пробігу).

На висотах нижче 19,6 км, де тиск складає 100 г/см², космічне випромінювання практично повністю має вторинний характер. Високоенергетичні вторинні частинки (нагадуємо, переважно піони) у свою чергу непружно взаємодіють з ядрами з множинним утворенням нових частинок, які знову можуть мати високу енергію, достатню для непружної взаємодії з ядрами. Тиск атмосфери на рівні моря складає 1033 г/см². Бачимо, що товщина атмосфери більш як в 10 разів перевищує пробіг високоенергетичних піонів і нуклонів. Тому взаємодія вторинних ядерно–активних частинок багатократно повторюється і у міру проникнення потоку випромінювання вглиб атмосфери число частинок зростає лавиноподібно. Енергія первинної частинки розподіляється між все більшою кількістю вторинних частинок. Кажуть, що розвивається нуклон–мезонна злива, або нуклон–мезонний каскад. Розвиток зливи відбувається до тих пір, поки енергія ядерно–активних частинок стане меншою 10⁹ еВ. Тоді може проходити ядерне розщеплення без множинного народження частинок. Частинки сповільнюються за рахунок іонізаційних втрат енергії та пружних зіткнень з ядрами. Помітним стає розпад –мезонів.

Заряджені піони мають середній час життя 2,6^.10^-8с. Після їх розпаду утворюються -мезони та мюонні нейтрино :

⁺⁺+ ; ^-^-+ . (1)

Рис.1. Схема утворення потоку мюонів у верхніх шарах атмосфери.

Мюони мають енергію спокою 105,66 МеВ, середній час життя 2,2^.10^-6 с і зазнають бета-розпаду з утворенням мюонних і електронних нейтрино та :

⁺e⁺+ + ; ^-e^-+ + (2)

Поверхні землі досягають переважно мюони, у яких час життя майже на 2 порядки перевищує час життя заряджених піонів. Потік ядерно-активних частинок (нуклонів і піонів) на рівні моря порівняно з потоком мюонів дуже малий. Слід відмітити, що негативно заряджені мюони притягаються ядрами речовини і можуть захоплюватись ними на атомні орбіти, утворюючи так звані мю-мезоатоми. З часом ^––мезони або розпадаються, або захоплюються одним із протонів ядра з перетворенням протона в нейтрон. Час життя ^––мезонів у середовищі швидко зменшується із зростанням атомного номера (Z) середовища. Але у середовищах з малим ефективним Z, до яких можна віднести і повітря, захват негативно заряджених мюонів незначний і часи життя мюонів з різними знаками зарядів можна вважати однаковими.

Час життя ⁰-мезона рівний 0.76^.10^-16 с, енергія спокою складає 134,96 Мев. Практично по місцю утворення він розпадається на два гамма-кванти:

⁰2. (3)

Якщо ⁰–мезон має високу енергію, то утворені гамма–кванти стають джерелами електронно–фотонних злив. У полі ядра високоенергетичні гамма-кванти народжують електронно-позитронні пари. При розсіюванні на електронах вони передають комптон–електронам значну енергію. Утворені електрони і позитрони з високими енергіями, гальмуючись у полі атомних ядер, народжують все ще високоенергетичні гальмівні гамма-кванти. Ці гамма-кванти утворюють електрони наступного покоління. Спостерігається каскадне зростання кількості частинок і гамма-квантів із зменшенням їх енергії. Коли енергія частинок зменшиться до деякого критичного значення (для повітря близько 72 МеВ), наростання лавини припиняється. Зауважимо, що джерелами електронно–фотонних злив можуть бути і швидкі електрони, вибиті з атомів дуже високоенергетичними зарядженими частинками.

У космічному випромінюванні поблизу поверхні моря виділяють дві компоненти з різною проникаючою здатністю.

Компоненту, яка практично повністю поглинається шаром свинцю товщиною 10 см, називають “м’якою”. М’яку компоненту складають електрони, позитрони та гамма-кванти.

Компоненту, яка не повністю поглинається навіть метровою товщиною свинцю, називають “жорсткою”. Жорстка компонента на рівні моря представлена –мезонами.

Потік частинок і гамма-квантів м’якої компоненти складає близько третини загального потоку космічного випромінювання поблизу поверхні Землі.

Відносно мала проникність гамма–квантів, зумовлених космічними променями, пояснюється великим перерізом утворення електронно–позитронних пар. Потоки високоенергетичних електронів і позитронів послаблюються за рахунок іонізаційних і радіаційних втрат енергії.

Мюони мають у 207 разів більшу масу спокою, ніж електрони, що зменшує їх прискорення при гальмуванні в електричному полі ядер, а отже суттєво обмежує величину радіаційних втрат енергії, оскільки ймовірність гальмівного гамма–випромінювання пропорційна квадрату прискорення зарядженої частинки. Мюони поглинаються майже виключно за рахунок іонізаційних втрат і тому мають значно вищу проникність, ніж частинки м’якої компоненти.