Космические лучи
Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.
Физика космических лучей изучает:
процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
частицы космических лучей, их природу и свойства;
явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.
Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.
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*10^20 эВ, т.е. на несколько порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках (максимальная эквивалентная энергия Теватрона ~2*10^15 эВ, LHC - около 10^17 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 () – К.Д. Андерсон и С. Неддермейер, 1937 г.; пион () - 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.
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/см2. 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 ~10^6 см-2·с-1 |
Cостав |
~95% протонов, ~4-5% ядер гелия, <1% более тяжелых ядер
|
98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия |
Диапазон энергий |
10^6 – 3*10^20 эВ |
10^5 – 10^11 эВ |
По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов — из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента приходится на электроны.
Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.