Космические лучи. Мезоны

Еще в начале XX в. было обнаружено, что заряженный электрометр со временем всегда теряет заряд, что было приписано ионизации окружающего воздуха неизвестным излучением. Проникающая способность его очень велика — от него нельзя загородиться даже толстыми экранами (например, свинцовыми). Это излучение получило название космического излучения. В настоящее время об этом излучении известно следующее: первичное излучение приходит из космоса, где оно распределено довольно равномерно. Космическое излучение состоит главным образом из протонов и альфа-частиц большой энергии (средняя энергия частиц 10 ГэВ, но изредка встречаются частицы с энергией более 1010 ГэВ, что в сотни миллионов раз превышает энергию частиц, полученных в самых мощных современных ускорителях). Взаимодействуя с атомами верхних слоев атмосферы, эти частицы вызывают целый ряд ядерных превращений, вследствие чего к поверхности Земли приходит излучение существенно иного состава (электроны, протоны, более тяжелые ядра, фотоны и пр.). Наличие магнитного поля Земли несколько искажает изотропность потока космических частиц и ограничивает возможность прохождения к Земле частиц сравнительно малых энергий. Интенсивность потока космических лучей у границы атмосферы составляет около 2—4 частиц/(см2 x с). Космические лучи исследуют при помощи толстослойных пластинок, камеры Вильсона, полость которой перегорожена свинцовыми пластинами, а также при помощи счетчиков.

Рис 17.1

Так как частицы с такой высокой энергией не получаются ни при каких известных ядерных превращениях, то можно допустить, что космические частицы, блуждая в космосе, ускоряются в электрических и переменных магнитных полях, существующих вокруг некоторых небесных тел. По-видимому, космические частицы в среднем проходят (до попадания в земную атмосферу) расстояние, на два-три порядка превышающее радиус Галактики (1021 м); это является косвенным доказательством того, что частица в Галактике движется не прямолинейно, так как ее скорость может изменяться при прохождении частицы в космических электромагнитных полях.

При неупругом соударении космического протона с ядром земного происхождения из ядра вылетают протоны и нейтроны с энергией, до 150 МэВ; одновременно появляются жесткие гамма-фотоны, электроны, позитроны и пи-мезоны.

Пи-мезоны (пионы) — частицы, масса которых составляет приблизительно 270 масс электрона (промежуточная между массой электрона и массой протона, отсюда и название «мезон» — средний); они бывают нейтральными или несут элементарный заряд того или иного знака. Пионы играют определенную роль в передаче ядерных взаимодействий, обеспечивающих устойчивость ядра.

В свободном состоянии пионы быстро распадаются по схеме:

где π — пион, ν— нейтрино, γ— гамма-фотон, μ — мю-мезон (мюон).

Мюоны, так же как и пионы, имеют промежуточную между протоном и электроном массу (тμ= 207 тe) и положительный или отрицательный элементарный заряд. Роль этих частиц в ядерных процессах не вполне ясна, но в передаче сильных ядерных взаимодействий они заведомо не участвуют. Мюоны неустойчивы. Их распад происходит по схеме:

Нейтральных мюонов не существует. Кроме указанных превращений, происходит рождение пар «электрон — позитрон» (за счет энергии гаммагфотонов) и рождение гамма-фотонов при исчезновении пары «электрон — позитрон».

Образовавшиеся после первого соударения частицы могут оказаться достаточно энергичными для создания второго поколения частиц и т. д. Таким образом, одна частица весьма высокой энергии может породить целый «ливень» вторичных частиц. Такие ливни можно получить и в камере Вильсона, снабженной твердыми перегородками (для увеличения вероятности последовательных соударений). Подобный ливень изображен на рисунке 17.1. В конечном счете влияние космических лучей на атмосферу сводится к поддержанию в ней некоторого, количества радиоактивных изотопов, в частности трития , и накоплению устойчивых изотопов (впрочем, относительно ничтожному).