FTF 5 semestr.PROHOROV / Лекции / лекции_8-дозиметрия

сверхвысокой энергии, поскольку в самых больших современных ускорителях пока еще достигнута энергия 1014 эВ.

СОСТАВ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Поток космических лучей у Земли равен ~ 1 частице на 1 см2 в 1 с. Более 90 % частиц первичных космических лучей всех энергий составляют протоны, 7 % – -частицы, и лишь небольшая доля (1 %) приходится на ядра более тяжелых элементов. Такой состав приблизительно соответствует средней распространённости элементов во Вселенной с двумя существенными отклонениями: в космических лучах значительно больше легких (Li, Be, B) и тяжелых ядер c Z ≥ 20. Согласно современным представлениям «обогащение» космических лучей тяжелыми ядрами является следствием более эффективного их ускорения в источнике по сравнению с легкими ядрами. А большое количество ядер Li, Be, B по сравнению со средней распространенностью связано с расщеплением тяжелых ядер при столкновении с ядрами межзвездной среды. Из наблюдаемого количества ядер легкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстояния, проходимого космическими лучами в межзвездной среде (~ 3 г/см2), и времени жизни космических лучей в Галактике (~ 3 107 лет). В составе космических лучей имеются также электроны (1 %), обнаружение которых в 1961 г. в необходимом количестве экспериментально подтвердило гипотезу о синхронной природе космического радиоизлучения. Благодаря этому появилась возможность исследовать космические лучи не только вблизи Земли, но и в удаленных областях Галактики с помощью радиоастрономических методов. Радиоастрономические данные показали, что космические лучи более или менее равномерно заполняют всю Галактику.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

В области малых энергий (до 1010 эВ) интенсивность космических лучей не является строго постоянной во времени и, кроме

2

того, зависит от геомагнитной широты. Это объясняется тем, что на движение первичных космических лучей оказывают влияние магнитные поля, переносимые солнечной плазмой (так называемым солнечным ветром), а также магнитное поле Земли. Первый эффект имеет квазипериодический характер с периодом около 11 лет, причем интенсивность космических лучей может изменяться в 2–3 раза. В этой же области энергий наблюдаются кратковременные возрастания интенсивности вспышки, обусловленные генерацией космических лучей на Солнце. В годы минимума солнечной активности полная интенсивность космических лучей у границы атмосферы в неполярных широтах достигает 0,2 частиц на 1 см2 в 1 с в единице телесного угла.

В области энергий 1010–1015 эВ интегральный энергетический спектр космических лучей, т.е. поток частиц с энергией выше заданной, cпадает с ростом энергии по закону E– с = 1,7. При еще более высоких энергиях E > 3 1015 эВ спектр космических лучей претерпевает сравнительно небольшой и плавный излом (связанный, по-видимому, с ослаблением эффекта удержания частиц очень высоких энергий в Галактике) с ростом до 2,0–2,2; при E ~ 3 1019 эВ спектр снова становится более пологим.

СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Солнечные космические лучи в отличие от первичных галактических космических лучей наблюдаются эпизодически после некоторых хромосферных вспышек. Частота появления солнечных космических лучей коррелирует с уровнем солнечной активности: в годы максимума солнечной активности регистрируется 10 событий в год с энергией частиц ~ 107 эВ, а в годы минимума – одно или не бывает вовсе.

В солнечных космических лучах наблюдаются частицы с более низкими (по сравнению с галактическими космическими лучами) энергиями; энергии протонов обычно ограничиваются долями ГэВ, иногда достигают нескольких ГэВ. Интенсивность солнечных космических лучей падает с уменьшением энергии частиц резче, чем интенсивность галактических космических лучей, причем показатель степени интегрального спектра изменяет-

3

ся от события к событию в пределах от 2 до 7. Верхний предел энергии солнечных космических лучей точно не установлен. Нижняя граница регистрируемых частиц солнечных космических лучей составляет десятки кэВ. В большинстве случаев состав солнечных космических лучей в интервале E ~ (1 – 3) 107 эВ/нуклон соответствует распространенности элементов на Солнце. Часто наблюдаются вариации в 2–3 раза относительно содержания ядер Не и Fе. Из данных по составу «легких» ядер, как в случае галактических космических лучей, получена оценка толщи вещества, проходимого солнечными космическими лучами в атмосфере Солнца, составляющая ≤ 0,2 г/см2. Это показывает, что ускорение частиц во время солнечной вспышки происходит не в глубине солнечной атмосферы, а в верхних ее слоях – короне или верхней хромосфере. В интервале E ≤ 107 эВ/нуклон потоки солнечных космических лучей часто обогащены тяжелыми ядрами, что указывает на наличие преимущественно ускорения тяжелых ядер на Солнце в области малых энергий. Ускорение частиц на Солнце интенсивно исследуется благодаря наличию наблюдательных данных по спектрам и потокам солнечных космических лучей, полученных с ИСЗ и межпланетных автоматических станций, а также благодаря процессам, сопровождающим генерацию солнечных космических лучей (радиоизлучение, рентгеновское излучение).

Интенсивность солнечных космических лучей различается от события к событию на несколько порядков величины, более интенсивные события наблюдаются, как правило, после сильных хромосферных вспышек. Изменения интенсивности связаны, очевидно, с разными условиями генерации и выхода из области ускорения. Наибольшее значение интенсивности измерено после вспышки 4 августа 1972 г., оно составило 7 104 частиц/см2 с для частиц с энергией, превышающей 107 эВ.

Длительность возрастаний интенсивности солнечных космических лучей составляет несколько суток для ~ 107 эВ и несколько часов для больших энергий. В начале возрастаний наблюдается анизотропия частиц вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля.

4

Значительный рост потока солнечных лучей вызывает дополнительную ионизацию в ионосфере, обусловливая помехи и прекращение связи на коротких волнах. Интенсивные потоки солнечных космических лучей представляют радиационную опасность.

ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. ГЕОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Проникая в Солнечную систему, галактические космические лучи вступают во взаимодействие с межпланетным магнитным полем, которое формируется намагниченной плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). В Солнечной системе устанавливается равновесие между конвективными потоками космических лучей, выносимыми солнечным ветром наружу и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпланетного поля «чувствуют» частицы сравнительно небольших энергий Е < 1010 эВ, ларморовский радиус которых сравним с размерами неоднородностей межпланетного магнитного поля. Параметры гелиоcферы изменяются с изменением солнечной активности в течение 11-летнего цикла, и в галактических космических лучах наблюдается модуляция интенсивности, называемая 11-летней вариацией. Интенсивность космических лучей изменяется в противофазе с солнечной активностью. Амплитуда вариаций различна для различных энергий.

Попадая в магнитное поле Земли, космические лучи отклоняются от первоначального направления вследствие действия на них силы Лоренца. На заданную широту вблизи Земли с данного направления проходят только частицы с энергией, превышающей некоторое пороговое значение. Этот эффект называется геомагнитным обрезанием. Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем меньше геомагнитная широта места наблюдения. Так, например, с вертикального направления на экватор попадают протоны только с энергией Е≥ Епор ≈ 1,5 1010 эВ, на геомаг-

нитную широту 51o – с энергией Е≥ Епор ≈ 2,5 109 эВ. Так как галактические космические лучи имеют падающий с ростом энергии

5

спектр, на экваторе наблюдается меньшая интенсивность, чем на высоких широтах («широтный эффект»).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ВЕЩЕСТВОМ

При столкновении протонов и других ядер первичных космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы происходит частичное расщепление этих ядер и множественное рождение элементарных частиц, в основном -мезонов (пионов) – заряженных + и – со временем жизни ≈ 2,5 10–8 с и нейтральных 0 с

≈ 0,8 10–16 с.

Свероятностью в 5–10 раз меньшей рождаются K-мезоны (каоны), с еще меньшей (~ 1 %) – гипероны и антипротоны, с пренебрежимо малой вероятностью – электроны и мюоны.

Для понимания общей картины образования вторичных космических лучей и прохождения через атмосферу необходимо рассматривать каскад последовательных распадов и взаимодействий рождающихся пионов и каонов вместе с быстрыми нуклонами, сохраняющими часть той энергии, которую они имели до взаимодействия с ядрами вещества (рис. 23).

Вторичные нуклоны в процессе столкновений с атомными ядрами атмосферы рождают новые пионы и каоны. Заряженные пионы и частично каоны, распадаясь, образуют мюоны к нейтрино, давая начало проникающей компоненте вторичных космиче-

ских лучей.

Благодаря тому, что мюоны при энергиях ≤ 1012 эВ теряют

энергию в основном на ионизацию атомов вещества (2 106 эВ в слое толщиной 1 г/см2), их пробег почти пропорционален энергии и достигает 1 км грунта.

Мюоны существенно большей энергии поглощаются по экспоненциальному закону и проникают в грунт до 3–5 км. Нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии, практически беспрепятственно проходят сквозь весь земной шар, и только эти частицы могут быть причиной очень редких процессов высокой энергии на глубинах 5 км под поверхностью Земли.

6

Заряженные пионы достаточно высокой энергии ~ 1012 эВ вследствие релятивистского эффекта замедления времени не успевают распадаться на мюоны и наряду с нуклонами продолжают разветвленный каскад взаимодействий с новыми атомными ядрами атмосферы. При этом образуется ядерно-активная компонента вторичных космических лучей. Развитие этого каскада прекращается при энергии частиц ~ 109 эB, когда они перестают участвовать в процессах множественного рождения частиц.

Нейтральные пионы при Е ~ 1018 эВ распадаются на два-кванта каждый, давая начало мощной лавине электромагнитных процессов размножения частиц. Развитие этой лавины идет через последовательные превращения фотона в электрон-позитронную пару и тормозное излучение фотонов электронами и позитронами в сильных электрических полях ядер атомов атмосферы. Эта электронно-фотонная компонента космических лучей называется мягкой компонентой, т.е. легко поглощаемой особенно в тяжелых веществах. Однако существует сравнительно слабая равновесная электронно-фотонная компонента даже на больших глубинах, которая возникает от взаимодействия мюонов высокой энергии с веществом.

При энергиях 1014–1015 эВ и выше процесс образования частицами космических лучей ядерного каскада в атмосфере приобретает некоторые специфические черты. Такой каскад, сопровождаемый развитием вторичных электронно-фотонных лавин с достаточно высокой плотностью числа частиц (~ 1 частица на 1 м2) на расстоянии до 200–300 м и более от оси каскада, получил название широкого атмосферного ливня. Большое число (порядка 10) «поколений», последовательных процессов множественного рождения частиц в широком атмосферном ливне приводит к тому, что общее число частиц в нем достигает многих миллионов. В первом приближении можно считать, что на каждую заряженную частицу ливня (в основном электрон или позитрон) приходится (2 – 3) 109 эВ энергии первичной частицы. Поэтому подсчет общего числа заряженных частиц в таком ливне дает достаточно точную оценку энергии первичной частицы, вызвавшей ливень, которую никакими прямыми методами измерить нельзя. Развитие широкого атмосферного ливня начинается на высоте

7

порядка 20–25 км над уровнем наблюдения, так что его частицы успевают разойтись на большие расстояния. Число частиц в ливне быстро спадает по мере удаления от оси. Изучая характер пространственного распределения частиц, можно определить положение оси и оценить поперечные импульсы, которые получали частицы в процессе множественного рождения. Экспериментальные данные позволяют предположить, что при сверхвысоких энергиях поперечные импульсы могут иногда на порядок превышать их нормальную величину. Немногочисленные данные о широком атмосферном дожде в стратосфере показывают, что его развитие происходит значительно быстрее, чем дают модельные расчеты, основанные на данных, полученных с помощью ускорителей (для энергий ~ 1012 эВ), т.е. средняя множественность рождения частиц в ядерных взаимодействиях возрастает с энергией сталкивающихся частиц существенно быстрее, чем при меньших энергиях. Состав частиц широкого атмосферного дождя в области энергий > 1010 эВ значительно отличается от ожидаемого при условии сохранения масштабной инвариантности энергетических спектров: мюонов оказывается слишком много, а адронов слишком мало; эту особенность можно в принципе объяснить высокой средней множественностью рождения частиц, так как при этом энергия пионов очень быстро уменьшается и они на более ранней ступени развития широкого атмосферного ливня успевают распадаться на мюоны и нейтрино. Некоторые указания получены и на возрастание с увеличением энергии роли прямой генерации лептонов.

Интенсивный поток частиц высокой энергии, движущихся почти параллельным пучком, приводит к появлению электромагнитного излучения Вавилова – Черенкова, пространственная и временная зависимость которого дает дополнительную информацию о продольном развитии широкого атмосферного ливня в атмосфере и, следовательно, о характере взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях.

Прохождение космических лучей через атмосферу представляет собой сложный процесс постепенного поглощения первичной компоненты и образования вторичной компоненты, возникающей при взаимодействии быстрых частиц с ядрами и атом-

8

ными электронами, содержащимися в воздухе. Это изменение состава космического излучения происходит в основном на больших высотах. Вблизи уровня моря идет главным образом уменьшение интенсивности космического излучения из-за его постепенного поглощения в воздухе.

Прохождение космических лучей через атмосферу связано, конечно, и с рассеянием, т.е. изменением направления полета. Для быстрых частиц, однако, рассеяние не вызывает заметного перемешивания частиц, летевших вначале в разных направлениях; вторичные частицы в существенной мере сохраняют направление первичных.

Исследования показывают, что интенсивность космических лучей на уровне моря зависит от направления, быстро увеличиваясь при переходе от горизонтального к вертикальному. Качественно такая зависимость представляется вполне естественной, поскольку для вертикально летящих частиц толщина пройденного слоя атмосферы является минимальной.

Расчет интенсивности космических лучей в зависимости от угла падения с учетом всех присутствующих в излучении компонентов представляет значительные трудности. На практике используется следующая эмпирическая формула:

где I( ) – интенсивность космического излучения, составляющего с вертикалью угол ; I0 – значение I( ) для угла = 0.

Интенсивностью излучения называется отнесенное к единице телесного угла количество частиц, падающих под данным углом к вертикали на единичную площадку в единицу времени.

9