| нента; 3 - проникающая компонента (мюоны); 4 - полная интенсивность.
2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных К. л. Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (гамма) каждый: [3b434738-25.jpg] Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она наз. также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).
В сильных электрич. полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары[3b434738-26.jpg] а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения испускают новые фотоны [3b434738-27.jpg] и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц - к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии я0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению ср. энергии каждой частицы ливня. После макс, развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте ок. 15 км (~120 г/см2), происходит её постепенное затухание (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой ч-астицы становится меньше нек-рого критич. значения (для воздуха критич. энергия составляет ок. 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию атомов воздуха и комптоновское рассеяние (см. Комптона эффект); увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отд. частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10-20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8.
Осн. характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества - т. н. каскадная кривая (рис. 9). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первонач. частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а ср. поперечный импульс составляет ок. 20 Мэв/с.
Наряду с [3b434738-28.jpg]-мезонами в К. л. существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и "у-кванты высокой энергии (> 100 Мэв) первичных К. л., а также [3b434738-29.jpg]-электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрич. взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц К. л.
При очень высоких энергиях (>=1014 эв) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последоват. каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространств, расхождению - на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атм. ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2-3)Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы "предков" этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения. Вследствие большой плотности потока частиц в широком атм. ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптич. области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптич. часть свечения определяется процессом Черенкова - Вавилова излучения, поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространств, разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрич. диполя.
[3b434738-30.jpg]
Рис. 8. Фотография, показывающая развитие электронно-фотонного ливня в латунных пластинках, установленных в камере Вильсона.
3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием К. л. заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях - до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях <= 10 12 эв. Заряженный пион (с энергией <= 1011 эв) распадается на мюон [3b434738-31.jpg](заряженную нестабильную частицу с массой покоя ммю " 207 ме, где те - масса электрона, и ср. временем жизни [3b434738-32.jpg] " 2-10~6 сек)и нейтрино[3b434738-33.jpg] (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), нейтрино и антинейтрино. Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К. л.) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, ср. время до их распада т достаточно велико - пропорционально полной энергии [3b434738-34.jpg] = = [3b434738-35.jpg] Кроме того, мюоны, не являясь ядерно-активными частицами, слабо взаимодействуют с веществом (посредством электромагнитного взаимодействия) и теряют свою энергию в осРис. 9. Каскадные кривые, показывающие изменение числа электронов (и позитронов)в зависимости от толщины пройденного ливнем слоя свинца при начальных энергиях электронов 1,1 и 3 Гэв.
[3b434738-36.jpg]
новном на ионизацию атомов (~ 2 Мэв на толщине 1 г/см2). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту К. л. Даже при сравнительно умеренной энергии ~ 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3), но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10). Макс, глубина, на к-рой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет ок. 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образ уют "скелет" широких атм. ливней на больших (сотни и) расстояниях от их оси.
Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада[3b434738-37.jpg]) его "обрастание", электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов [3b434738-38.jpg] ) - проникающей мюонной компонентой (рис. 11).
Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэфф. поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв) делает проникающую компоненту К. л. очень удобным средством для подземной геофизич. и инж. разведки (рис. 12). Измеряя интенсивность К. л. телескопом счётчиков в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К. л. в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.
[3b434738-39.jpg]
Рис. 10. Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной ) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический).
При энергиях порядка 1012 эв и выше наряду с ионизац. потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимо-
[3b434738-40.jpg]
Рис. 11. Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере, с образованием трёх основных компонент вторичных космических лучей: электронно-фотонной (мягкой), ядерно-активной и мюонной (проникающей); р - протон; n - нейтрон; [3b434738-41.jpg] - пионы; [3b434738-42.jpg] - мюоны; [3b434738-43.jpg] - позитрон и электрон; v - нейтрино; [3b434738-44.jpg] - квант.
действия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах и 8 км вод-иого эквивалента под углами ^500 к вертикали поток космич. мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Юж. Африки с установками огромной 'площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами >500 дополнит, поток мюонов, единств, источником к-рых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей - нейтринной - компоненты К. л. Наиболее важной проблемой
Рис.12. Пример разведки полезных ископаемых при помощи измерения интенсивности проникающей (мюонной) компоненты космич. лучей: а- разрез полиметаллического месторождения (I- наносы, II - известняк, III -богатая руда, IV -бедная руда, V - вкрапленное ору-денение); б -интенсивность I космических лучей, измеренная телескопом счётчиков (вертикальные линии на кривой указывают ошибки измерений).
[3b434738-45.jpg]
при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения "прозрачности" вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 1010эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 1015 эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6*10-17 см). Измерения потоков солнечных нейт-
Гино значительно более низких энергий ~1 Мэв) позволят подойти к решению и другой, космофизической, проблемы нейтринной физики. Это связано с использованием огромной проникающей способности нейтрино для косвенного измерения темп-ры недр Солнца, от к-рой зависит характер протекающих в нём ядерных реакций - осн. источника солнечной энергии (см. Нейтринная астрономия).
Проблемы и перспективы. Дальнейшее изучение К. л. в лабораториях и на . космич. станциях продолжается в двух направлениях. На космофизич. направлении выясняется природа тех осн. процессов, в к-рых может происходить ускорение частиц до высоких и сверхвысоких энергий (в сверхновых звёздах, пульсарах, отчасти на Солнце), а также свойства межпланетной и межзвёздной среды по вариациям интенсивности К. л., особенностям их состава, углового и энер-гетич. распределения. Особенно большие надежды возлагаются на исследования в области рентгеновской и гамма-астрономии в тесной связи с радиоастрономич. и астрономич. наблюдениями возможных источников К. л.
Интересен также вопрос о роли нейтрино как одной из компонент первичных К. л. при энергиях >= 10 20 эв. Возникновение широких атм. ливней столь высоких энергий уже трудно объяснить заряженными частицами, ускоряемыми в пределах нашей Галактики, а частицы межгалактич. происхождения не могут набрать таких энергий из-за столкновений с фотонами реликтового излучения, заполняющего Метагалактику. Поэтому приходится учитывать возможность непрерывного роста непрозрачности вещества (в частности, атм. воздуха) для потоков космич. нейтрино, к-рые в этом случае смогли бы стать "предками" самых мощных широких ливней.
Делаются попытки окончательно решить неясную пока проблему существования файрболов - гипотетических частиц (с массами ~ 3-5 Гэв, а иногда и значительно выше), почти мгновенно распадающихся после своего рождения на отд. частицы (в основном пионы) по законам статистич. физики. Далеко не закончены дискуссии о степени применимости описания множеств, рождения чаcстиц моделями гидродинамич. и термоди-намич. типов, в к-рых образуемая при ядерных столкновениях высоковозбуждённая "адронная материя" с неопределённым числом частиц расширяется вплоть до её распада на отд. свободные частицы. Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватскцй С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М., 1963; Дорман Л. И., Мирошниченко Л. И., Солнечные космические лучи, М., 1968; Дорман
Л. И., Смирнов В. С., Тясто М.И., Космические лучи в магнитном поле Земли, М., 1971; Мурзин В. С., Сарыче-в а Л. И., Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. |
