§ 145. Космические лучи. Элементарные частицы

Первичные космические лучи представляют собой поток атомных ядер (преимущественно протонов и -частиц), влетающих с огромными скоростями в земную атмосферу из мирового пространства. Столкновение этих ядер с ядрами атомов, входящих в состав воздуха, приводит к образованию новых ядер и различных элементарных частиц; их поток носит название вторичных космических лучей. Первичные космические лучи в значительной мере поглощаются атмосферой, поэтому земной поверхности достигают главным образом порожденные ими вторичные космические лучи.

Космические лучи были открыты в 1912 г. немецким физиком В. Гессом. Происхождение этих лучей еще не выяснено; существует лишь ряд гипотез, среди которых наиболее приемлемой считается гипотеза В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского о генерации космических лучей при вспышках сверхновых звезд. Для изучения космических лучей используются ионизационные приборы, описанные в § 140.

Интенсивность космических лучей имеет максимум на высоте около над уровнем моря (благодаря образованию вторичных космических лучей). С уменьшением высоты интенсивность уменьшается (за счет поглощения лучей атмосферой), достигая на уровне моря минимального значения (здесь лучами создается в среднем 1,8 пары ионов в воздуха за 1 с).

Средняя энергия частиц первичного космического излучения (на верхней границе атмосферы) составляет около отдельные частицы обладают энергией порядка Следовательно, космические лучи являются источником частиц сверхвысоких энергий, еще не достигнутых в лабораторных условиях (в ускорителях). При взаимодействии таких частиц с веществом

происходят принципиально новые ядерные реакции, изучение которых углубляет наши знания о свойствах ядер и элементарных частиц. Именно в этом состоит главная научная ценность космических лучей. Уместно отметить, что большинство элементарных частиц было впервые обнаружено в космических лучах.

Переходя к вопросу об элементарных частицах, следует уточнить определение этого понятия. Элементарными называются частицы, которым на современном уровне знаний нельзя приписать определенную внутреннюю структуру, т. е. нельзя представить их состоящими из каких-либо других частиц. Сейчас известно 32 вида элементарных частиц, не считая резонансов, т. е. исключительно короткоживущих частиц со средним временем жизни порядка с (в настоящее время известно около 100 резонансов).

Элементарные частицы характеризуются массой (покоя), электрическим зарядом, средним временем жизни и некоторыми другими величинами (которых мы не будем касаться). По значению массы покоя элементарные частицы можно подразделить на следующие 4 класса: фотоны лептоны но меньше или равна массе электрона), мезоны больше массы электрона, но меньше массы протона) и барионы равно или больше массы протона, но меньше массы дейтрона); среди барионов различают нуклоны и более тяжелые частицы — гипероны.

В таблице (стр. 525—527) приведены все известные элементарные частицы (за исключением резонансов) и даны некоторые их характеристики; масса частиц выражена в массах покоя электрона, электрический заряд — в элементарных зарядах.

С фотонами, лептонами и нуклонами мы уже познакомились в предшествующих разделах курса. Новые элементарные частицы — мезоны и гипероны — являются неустойчивыми (короткоживущими); они возникают при ядерных реакциях, вызванных частицами сверхвысокой энергии (миллиарды электрон-вольт). Кроме того, пи-мезоны и мю-мезоны образуются при распаде ка-мезонов и геперонов. Пи-мезуны, по-видимому, играют роль ядерных сил: на расстояниях порядка см нуклоны взаимодействуют между собой путем обмена пи-мезонами (см. § 138). Мезоны и гипероны были впервые обнаружены в космических лучах.

При рассмотрении таблицы обращают на себя внимание следующие факты.

1. Только три из элементарных частиц — электрон, протон и нейтрон — являются основными: из них построены атомы и в конечном счете весь окружающий нас вещественный мир.

2. Заряд элементарной частицы (выраженный в элементарных зарядах) равен либо либо — 1, либо 0; двух- и многозарядных частиц нет.

3. Большинство элементарных частиц неустойчиво и имеет крайне малое время жизни.

4. Каждой частице (кроме фотона и пи-ноль-мезона) соответствует так называемая античастица. Частица и античастица имеют одинаковую массу и величину электрического заряда, но различаются знаком заряда (а при отсутствии заряда — направлением какой-либо из не рассматривавшихся нами характеристик, например направлением магнитного момента). Примером частицы и античастицы являются электрон и позитрон (антиэлектрон), протон и антипротон, мю-плюс-мезон и мю-минус-мезон и т. п.

При столкновении частицы с античастицей обе они перестают существовать как таковые, превращаясь в другие элементарные частицы; этот процесс носит название аннигиляции пар. Примерами аннигиляции пар могут служить превращение протона и антипротона в пи-ноль-мезоны и превращение электрона и позитрона в фотоны Выяснено, что вообще все заряженные элементарные частицы могут аннигилировать со своими

античастицами, образуя фотоны. Наблюдаются также процессы, обратные аннигиляции, в результате которых возникают частицы и соответствующие им античастицы. Этот процесс называется образованием пар. Примером образования пар может служить превращение фотона в электрон и позитрон (см. § 139).

В настоящее время экспериментально обнаружено множество процессов (помимо аннигиляции и образования пар), при которых одни элементарные частицы превращаются в другие. Приведем несколько примеров.

1. Самопроизвольное превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и нейтрино:

2. Превращение протона, находящегося в атомном ядре, в нейтрон с испусканием позитрона и антинейтрино:

3. Превращение протона в ка-плюс-мезон и ламбда-ноль-гиперов под действием жесткого фотона (энергией порядка 1000 МэВ):

Следует подчеркнуть, что при всех взаимопревращениях элементарных частиц строго соблюдаются основные законы сохранения (массы, энергии, количества движения, электрического заряда) и закон пропорциональности массы и энергии.

Способность к взаимным превращениям является фундаментальным свойством элементарных частиц.

В заключение отметим, что в последнее время многие физики придерживаются гипотезы о существовании очень небольшого числа «истинно элементарных частиц», обладающих дробными электрическими зарядами и названных кварками; из комбинаций кварков образуются все остальные частицы. Предпринятые для проверки этой гипотезы экспериментальные поиски кварков (в космических лучах и в потоках, создаваемых мощными ускорителями частиц) уже увенчались некоторым успехом: в 1969 г. зарегистрировано 11 случаев (6 в СССР и 5 в Австралии), которые, по-видимому, соответствуют обнаружению свободных кварков.