§ 76. Космические лучи

До создания мощных ускорителей заряженных частиц космическое излучение было единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов.

Позитрон, мюоны, -мезоны и многие странные частицы (см. § 79) были обнаружены в составе космических лучей.

Различают первичные и вторичные космические лучи. Первичные лучи представляют собой непрерывно падающий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов). высокой энергии (в среднем ГэВ, энергия отдельных частиц достигает . Частицы первичных космических лучей претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего возникает вторичное излучение. На высотах ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер. Во вторичном излучении встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы.

Интенсивность первичных космических лучей на границе атмосферы (т. е. на высоте км) составляет примерно Поток заряженных частиц на уровне моря равен в среднем Существование магнитного поля Земли приводит к тому, что интенсивность космических лучей меняется с широтой. Это явление называется широтным эффектом.

С помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, были открыты вблизи Земли радиационные пояса, которые представляют собой две окружающие Землю зоны с резко повышенной интенсивностью ионизирующего излучения. Их существование обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. В плоскости экватора внутренний пояс радиации простирается от 600 до 6000 км, внешний пояс — от 20 000 до 60 000 км. На широтах 60—70° оба пояса приближаются к Земле на расстояние в несколько сот километров.

В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одиа из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа мягкой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой.

Мягкая компонента состоит из каскадов или ливней электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада -мезона (см. (69.4)) или резкого торможения быстрого электрона -фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару (рис. 76.1). Торможение этих частиц снова приводит к образованию -фотонов, и т. д. Процессы рождения пар и возникновения -квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия -фотонов не станет недостаточной для образования пар.

Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.

Рис. 76.1.

Жесткая, проникающая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов. Ее образование происходит преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет, распада заряженных -мезонов (см. (69.3)}.

С появлением ускорителей, позволяющих ускорять частицы до энергий в сотни ГэВ (см. § 76 2-го тома), космические лучи утратили свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако они по-прежнему остаются единственным источником частиц сверхвысоких энергий.