§ 56. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Большинство космических частиц, попадая в атмосферу, испытывает неупругие столкновения с ядрами атомов воздуха, образуя вторичное излучение. Пробег первичных частиц до взаимодействия колеблется от (для протонов) до (для тяжелых ядер). Поэтому на высотах ниже космическое излучение практически полностью имеет вторичный характер.

Первичные протоны и ядра с относительно небольшими энергиями ( при попадании в атмосферу вызывают ядерные расщепления, в результате которых возникают вторичные протоны и нейтроны с меньшими энергиями. Вторичные частицы замедляются главным образом за счет ионизационных потерь и упругих столкновений.

Столкновение первичных протонов и ядер более высокой энергии с ядрами входящими в состав воздуха, сопровождается множественным рождением новых частиц высокой энергии. При этом образуются преимущественно -мезоны, а также нуклоны, нуклон-антинуклонные пары, гипероны и К-мезоны.

Быстрые мезоны в свою очередь вступают в ядерные взаимодействия.

Поскольку толщина земной атмосферы приблизительно в 15 раз превышает ядерный пробег нуклонов высокой энергии (т. е. их средний пробег между соударениями с ядрами атомов воздуха), то взаимодействия вторичных ядерноактивных частиц происходит многократно и их число лавинообразно нарастает. Энергия первичного потока дробится до тех пор, пока энергия ядерноактивных частиц не станет близкой к При этих энергиях начинают уже преобладать процессы упругого рассеяния нуклонов и распада -мезонов, и поэтому лавина частиц перестает расти. -мезон, распадаясь, дает начало -мезонной компоненте космических лучей. При распаде -мезона возникают два высокой энергии. Эти образуют электронно-позитронные пары и комптон-электроны, вызывая тем самым электронно-фотонный ливень, сопровождающий ядерный каскад.

Кроме -мезонов, источниками электронно-фотонной компоненты являются тормозные быстрые -электроны (электроны, получившие при ионизации атома энергию, достаточную для вторичной ионизации) и лептонные продукты распада нестабильных мезонов. Каскадное размножение происходит бурно, так что средняя энергия частиц электронно-фотонного ливня быстро уменьшается. Ливень затухает, когда средняя энергия его частиц достигает критического значения, равного для воздуха ниже которого ионизационные потери преобладают над радиационными (см. гл. 4).

Таким образом, ливень космических частиц порожденный первичной ядерноактивной частицей весьма высокой энергии содержит генетически связанные ядерную и электронно-фотонную компоненты. Такой ливень называется обыкновенно широким атмосферным ливнем. Благодаря кулоновскому рассеянию электронов поперечные размеры ливня у поверхности Земли могут достигать нескольких сотен метров. Однако центральную часть ливня составляют ядерно-активные частицы высокой энергии, сохраняющие в основном направление первичной частицы.

Наблюдение широких атмосферных ливней позволяет регистрировать такие редкие события, как прохождение частиц с энергиями Обычно ливень наблюдается и изучается системой счетчиков разного типа, расставленных на большой площади и включенных на совпадение. Увеличение площади регистрации особенно важно для изучения первичных частиц максимальной энергии, число которых тем меньше, чем больше их энергия. Так, на площадь частица с энергией падает раз в

несколько дней. Метод широких атмосферных ливней является единственным, используемым при изучении космических лучей с энергией, большей

Для меньших энергий проводится и прямое исследование элементарных взаимодействий с помощью фотографических эмульсий, камер Вильсона, ионизационных камер, но оно ограничивается энергиями из-за трудности регистрации относительно редких событий.

В настоящее время в результате различных исследований выявлен целый ряд общих характеристик актов множественной генерации частиц при столкновении нуклона с нуклоном или ядром атмосферы. Наиболее существенные из них следующие:

1. Эффективное сечение процесса в области энергии постоянно и равно геометрическому сечению (возможные отклонения не превышают 20—30%) (см. § 30).

2. Генерируются главным образом -мезоны.

3. Вторичные частицы вылетают резко направленными потоками в направлении движения первичной частицы и в обратном направлении (в системе центра инерций), так что поперечные импульсы частиц сравнительно малы и почти не меняются вплоть до энергий

4. Среднее число частиц рождающихся в акте, или, как говорят, множественность, медленно растет с энергией налетающей частицы в лабораторной системе; понвидимому, или интервале энергий до

5. В большинстве случаев налетающий нуклон теряет на образование новых частиц лишь часть своей энергии остальную долю энергии он сохраняет.

Однако все это надо рассматривать как средние данные, и отдельные акты могут чрезвычайно сильно различаться по своему характеру.

Теоретическое осмысливание процессов множественного рождения частиц и их характеристик представляет собой предмет многих исследований, далеких еще от полного решения проблемы.