Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
Космическое излучение принято делить на первичное и вторичное. Первичными космическими лучами называется поток частиц высокой энергии, приходящих в район Земли из мирового пространства. Первичное космическое излучение состоит, главным образом, из протонов (больше 90%), энергия которых достигает 1016—1019эВ*, а-частиц (около 7%), ядер с Z=6h-8 (около 1%), более тяжелых ядер, включая уран (10~4%), электронов и позитронов (около 1%), уквантов (около 10~2%). Такой состав первичное излучение имеет на границе атмосферы Земли. При попадании первичного излучения в атмосферу в результате его взаимодействия с атомными ядрами образуется вторичное космическое излучение.
Первичное космическое излучение, по-видимому, возникает в процессе вспышки сверхновых звезд и образования пульсаров. Последующее движение заряженных частиц в межзвездных неоднородных магнитных полях имеет характер диффузного рассеяния, в результате чего первичное космическое излучение падает на Землю изотропно. По изотопному составу первичного излучения было оценено его время жизни, которое оказалось порядка 20—100 млн. лет. Энергетический спектр первичного излучения в интервале энергий 1010—1015 эВ подчиняется закону Е~у, где у = 1,7. С дальнейшим ростом энергии у возрастает до 2,0—2,2, а при ?=3-1019эВ снова убывает. Полная интенсивность первичного космического излучения — порядка 0,2 см-2-с-1. Она может изменяться в несколько раз в зависимости от широты местности (из-за влияния магнитного поля Земли) и состояния Солнца.
* В 1962 г. в составе космических лучей была зарегистрирована частица с энергией 1020 эВ.
136
Часть 4. Лептоны, адроны, кварки
Образование вторичных космических лучей схематически можно себе представить следующим образом. В процессе взаимодействия первичных частиц (в основном протонов) с ядрами атмосферы с большой вероятностью (0,9) происходит множественное рождение л-мезонов, а также с вероятностью 0,05—0,1 Я-мезонов, с вероятностью около 0,01—гиперонов и антипротонов и с еще меньшей вероятностью—электронов, позитронов и мюонов. Кроме того, в процессе взаимодействия первичного протона с ядром последнее частично расщепляется, в результате чего образуются вторичные нуклоны, которые вместе с первичным протоном, сохранившим после взаимодействия значительную часть своей энергии, и образовавшимися высокоэнергетичными (Гя>1012 эВ) л-мезонами взаимодействуют с новыми ядрами, давая каскад ядерно-активных частиц и т. п. (ядерно-активная компонента). Изображенную картину дополняют распады л- и А"-мезонов по схемам л -*2 у, л+->ц+уц, n~->fI~vM, K+-*[i+vil и т. п., в результате которых возникают у-кванты, мюоны и нейтрино. Мюоны и нейтрино составляют так называемую жесткую (сильно проникающую) компоненту космических лучей. у-Кванты в поле ядра конвертируют в е+е~-пары, электроны в поле ядра испускают тормозное излучение и т. д. В результате образуется электрон-фотонная, или так называемая мягкая (слабо проникающая), компонента космических лучей.
Если энергия первичной частицы превышает 1014 эВ, то ядерный каскад, сопровождаемый разветвленными электрон-фотонными лавинами, образует так называемый широкий атмосферный ливень. Широкий атмосферный ливень содержит до 10 поколений последовательно возникающих частиц, общее количество которых может составлять несколько миллионов. По мере развития ливня он становится все шире и шире, так что частицы, относящиеся к ливню, можно обнаружить на расстояниях примерно 0,3 км от его оси. В связи с этим широкий атмосферный ливень и получил свое название. Исследование широких атмосферных ливней позволяет определять энергию первичной частицы, вызвавшей ливень, среднюю множественность рождения частиц, поперечный импульс рожденных частиц и др.
В процессе изучения космических лучей получено много полезной информации о взаимодействии частиц сверхвысокой энергии с ядрами. Кроме того, изучение космических лучей важно также для рассмотрения многих космофизических и астрофизических проблем, которое позволяем получать сведения о свойствах источников космических лучей и среды, в которой они распространяются.
§ 100. Электрон и позитрон
137
В связи с ограниченным объемом книги мы не имеем возможности рассказать о физике космических лучей более подробно*. Некоторые дополнительные сведения о ее достижениях по тематике книге будут даны в § 100, 103—105, ПО, 114, 115, 124.
Глава XVIII ЛЕПТОНЫ
§ 100. Электрон и позитрон
Как уже говорилось, электрон был открыт в 1895 г. Дж. Дж. Томсоном. Это—частица с массой тех9,\ • 10~28 г и отрицательным электрическим зарядом — е=— 4,8 • 10_ 10 СГСЭ. Электрон относится к классу лептонов, т. е. он не участвует в сильном взаимодействии. Наиболее сильным взаимодействием из числа тех, в которых участвует электрон (электромагнитное, слабое, гравитационное), является электромагнитное.
Если считать, что вся масса электрона электромагнитного происхождения (тес2 = е2/ге), то можно получить так называемый классический радиус электрона
re=-^-5«2,82-10"13 см.
Однако из сравнения радиационных поправок с экспериментом (см., например, § 101) следует, что электрон ведет себя как точечная частица вплоть до расстояний гх 10"16 см.
