Теоретическая часть. Источником солнечных космических лучей является наше Солнце

Источником солнечных космических лучей является наше Солнце. Источником галактических космических лучей являются звезды, главным образом так называемые сверхновые звезды нашей Галактики. Метагалактические космические лучи приходят к нам из других Галактик. Их интенсивность существенно меньше, чем галактических лучей, но они содержат частицы очень большой энергии.

Следует отметить, что солнечные космические лучи проявляют себя эпизодически, после крупных хромосферных вспышек в период большой активности Солнца. Энергия солнечных космических лучей сравнительно невысокая. Она равна нескольким десяткам миллионов электронвольт, хотя и достигает иногда гигаэлектронвольт, то есть лежит в диапазоне 10⁷-10¹⁰ эВ. Тем не менее, солнечные космические лучи играют существенную роль в жизни Земли.

В отличие от солнечных космических лучей галактические и метагалактические космические лучи обычно называют первичными космическими лучами. Они представляют собой мало изменяющийся во времени поток атомных ядер. Величина потока на границе атмосферы Земли приблизительно равна 1 частице на 1 см² в 1 секунду.

Около 92% частиц являются ядрами атомов водорода, то есть протонами, около 6% - ядрами атомов гелия ( -частицами), и около 1% приходится на долю более тяжелых атомных ядер. Из тщательного сравнения доли различных атомных ядер или, как говорят, массового состава космических лучей с распространенностью атомных ядер во Вселенной следует, что в космических лучах содержится значительно больше ядер лития, бериллия и бора и больше тяжелых ядер с атомным номером Z > 20. По современным представлениям, большая доля тяжелых ядер связана преимущественно с особенностью источников космических лучей сверхновых звезд. Увеличение же доли легких ядер в космических лучах связано с образованием в результате расщепления более тяжелых ядер при соударениях с ядрами атомов межзвездной среды.

Рассмотрим теперь, что происходит с первичными космическими лучами, достигшими атмосферы Земли. Согласно концепции, разработанной академиком Г.Т. Зацепиным в 1949 году, в атмосфере Земли атомные ядра первичных космических лучей, сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, порождают новые элементарные частицы. Этот процесс получил название процесса множественного рождения частиц. Число рожденных частиц при каждом соударении растет при увеличении энергии налетающего ядра по закону N~ lgE. При высоких энергиях, например при энергии 10¹⁵ эВ, величина N достигает нескольких десятков и даже сотен.

Рассмотрим первый акт соударения ядра первичного космического излучения с атомным ядром воздуха. Поскольку в акте рождается сразу много вторичных ядерно-активных частиц, в основном пионов, ясно, что каждый из них по мере прохождения атмосферы Земли соударяется с ядром атомов воздуха, генерирует вторичные пионы, которые, в свою очередь, рождают третье поколение пионов и т.д. В итоге возникает ядерно-каскадный процесс размножения частиц ядерной материи. Именно этот механизм образования ядерного каскада и был открыт Г.Т. Зацепиным. При высоких энергиях (выше 10¹⁵ эВ) ядерный каскад частиц, развивающийся в атмосфере Земли, получил название широкого атмосферного ливня (ШАЛ). По мере прохождения ливня через атмосферу сначала нарастает доля ядерно-активных частиц, достигая максимума уже на самолетных высотах (~(10-12) км), а затем уменьшается вследствие потери ими энергии на рождение новых ядерных частиц. Заряженные пионы - частицы нестабильные, они уже в верхних слоях атмосферы распадаются на тяжелые электроны - мюоны и нейтрино. Мюон не обладает ядерным зарядом, эта частица по своим свойствам действительно близка к электрону, хотя и обладает в 207 раз большей массой. Свою энергию мюоны расходуют очень слабо, только на ионизацию атомов воздуха атмосферы Земли. Поэтому уже на уровне моря практически все пионы вторичных космических лучей замещаются мюонами. Существенно отличается от описанной картины прохождение через атмосферу Земли нейтральных пионов. Их путь в атмосфере чрезвычайно мал - лишь доли миллиметров. Такие пионы распадаются на два -кванта. Каждый из -квантов, обладающий большой энергией, образует электронно-позитронную пару. Электроны и позитроны, в свою очередь, в полях атомных ядер встречных атомов тормозятся и испускают новые -кванты и т.д. Таким образом, снова возникает каскад частиц, называемый электронно-фотонным ливнем. Именно такие ливни и наблюдал Д.В. Скобельцин еще в 20-х годах. В итоге развития широкого атмосферного ливня число электронов и -квантов в ливне становится фантастически большим, достигая миллионов и даже миллиардов частиц.

Таким образом, мы видим, что атмосфера Земли играет большую роль в преобразовании первичных космических лучей во вторичные. В глубине атмосферы существенно уменьшается не только число частиц первичных космических лучей, но и изменяется природа самих частиц. Так, на уровне моря интенсивность вторичных космических лучей примерно в 100 раз меньше интенсивности первичного излучения, причем в них практически отсутствуют ядерные частицы. Их заменили лептоны - мюоны (жесткая компонента космического излучения), электроны и -кванты (мягкая компонента).

Одной из задач данной лабораторной работы является измерение углового распределения жесткой компоненты космических лучей и оценка времени жизни мюонов, возникающих в результате взаимодействия космических лучей с атомами атмосферы. Для этого необходимо телескоп (см. ниже) со свинцовым фильтром толщиной 10 см наклонить вокруг горизонтальной оси так, чтобы ось телескопа составляла с вертикалью угол . Изменяя угол и измеряя каждый раз интенсивность космического получают угловое распределение N() частиц жесткой компоненты, т.е. мюонов. Полученное угловое распределение мюонов может быть использовано для определения среднего времени жизни покоящихся мюонов.

Максимум интенсивности мюонов, летящих в вертикальном направлении, лежит на высоте около 15 км. Основной слой атмосферы толщиной х = 1000 г/см² (в ядерной физике за толщину часто принимают x[г/см²] = x [см] ∙ ρ[г/см³]) мюоны проходят, частично поглощаясь на этом пути. Если мы будем наблюдать мюоны, приходящие на уровень моря под углом к вертикали, то таким мюонам придется пройти в атмосфере путь в х/cos раз больший, чем мюонам, летящим по вертикали (рис. 6.1). Число мюонов, достигающих уровня моря под углом к вертикали будет меньшим, чем число мюонов, достигающих земной поверхности при прохождении атмосферы по вертикали по следующим причинам:

1. При увеличении угла слой воздуха, который приходится проходить мюонам, увеличивается. Это приводит к увеличению поглощения мюонов за счет роста потерь энергии на ионизацию.

2. С увеличением угла увеличивается не только путь мюона, но и время, необходимое для его прохождения. Это приводит к увеличению вероятности распада мюона при движении к поверхности Земли.

Таким образом, по указанным выше причинам, происходит уменьшение интенсивности мюонов с ростом зенитного угла. Можно выделить ту часть мюонов, которая поглотилась за счет увеличения вероятности распада, связанной с увеличением геометрического пути. Измерение интенсивности вертикального потока мюонов, выполняемое на различных глубинах под землей, показало, что их число зависит от пройденного ими в земле пути по следующему закону:

где N₀ - число мюонов на уровне земли, = 100 г/см² - толщина атмосферы, - полное количество вещества, пройденное мезонами от точки генерации. Если при увеличении угла интенсивность космических мюонов уменьшилась только за счет увеличения количества пройденного ими вещества, то закон изменения числа мезонов был бы следующим:

. (6.1)

Здесь N(0º) - число мюонов, попадающих в телескоп по вертикали, N(θ) - число мюонов, которые попадали бы в телескоп под углом к вертикали, если бы мюоны не распадались, и - пути мюонов в атмосфере по вертикали и под углом к вертикали. Таким образом, из соотношения (6.1) видно, что измерив экспериментально число мюонов, попадающих в телескоп по вертикали N(0º), можно теоретически рассчитать угловое распределение мюонов без учета их распада N(θ)_теор.

Если угловое распределение N(θ)_эксп измерено экспериментально, то разность

соответствует числу мюонов, которые поглотились за счет распада.

Это число может быть определено исходя из других соображений. По вертикали мезоны проходят путь ~15 км. Под углом они будут проходить путь в х/cos раз больший (см. выше), т.е. путь, проходимый мюонами, увеличивается на величину

. (6.2)

Вероятность распада на этом дополнительном пути составит

где - пробег мюона до распада, равный ( - среднее время жизни движущегося мюона).

Т.к. N(θ)_теор - интенсивность мюонов, падающих под углом без учета дополнительного распада (расчетная величина), то число мюонов, которые распадаются на пути будет равно

но , следовательно

, (6.3)

отсюда

. (6.4)

Но, с другой стороны,

. (6.5)

Полная энергия релятивистской частицы

. (6.6)

Используя (6.6) преобразуем (6.5) к следующему виду

. (6.7)

Экспериментально определено, что среднее значение энергии космических мюонов на уровне моря описывается выражением МэВ, энергия покоя =105,66 МэВ (табличная величина). Таким образом, исходя из (6.4) и (6.7) можно найти выражение для среднего времени жизни покоящихся мюонов :

. (6.8)

В экспериментальное значение N(θ)_эксп необходимо внести поправку за счет ливней. За число ливней принимается число совпадений при =90º, т.е. N(90º)_эксп. С учетом этой поправки за значения N(θ)_эксп и N(θ)_теор, используемые в (6.8), нужно принимать значения

, (6.9)