Космические лучи

Задолго до того, как утечка электричества через воздух стала проблемой для проектировщиков линий электропередач, некоторые физики увлеклись загадкой непонятной электропроводности воздуха. Сперва несовершенные приборы — электроскопы с листочками, а затем и более надежные электрометры с нитями неизменно теряли свой начальный заряд, причем скорость этой утечки явно возрастала при подъеме прибора на аэростате. Решающий эксперимент австрийского ученого В. Гесса (1913) доказал, что именно из космоса приходит какое-то проникающее излучение, разбивающее молекулы воздуха на заряженные ионы.

В 1927 г. советский физик Д. В. Скобельцын обнаружил в камере Вильсона с магнитным полем (см. Детекторы ядерных излучений) отдельные следы, а затем и группы быстрых заряженных частиц, почти не искривляемых магнитным полем. Новые эксперименты других ученых не оставили сомнений в том, что именно заряженные частицы очень высоких энергий (порядка миллиардов электронвольт) были «виновниками» и высокой проникающей способности, и необычных превращений при взаимодействии космических лучей с веществом.

Американский ученый К. Д. Андерсон с помощью камеры Вильсона увидел в 1932 г. положительно заряженный аналог электрона е^- — позитрон е⁺ (см. Антивещество), а в 1936 г. — в 200 раз более тяжелую, но неустойчивую частицу — мюон μ. «Ассортимент» основных частиц ядерной физики сильно обогатился в 1947 г., когда английский физик С. Ф. Пауэлл с сотрудниками открыл с помощью ядерных фотоэмульсий главного «предка» мюона заряженный пион π^± с массой 274 электронных массы и характерной цепочкой распадов π → μ(+v) → e(+2v), где v — непосредственно ненаблюдаемые нейтральные частицы (рис. 1).

Изучение неустойчивости ряда частиц со сравнительно медленным, по масштабам микромира, распадом (за 10^-6 — 10^-10 с) привело к созданию теории слабых взаимодействий, объяснившей и свойства самой проникающей, почти неуловимой частицы — нейтрино v.

Своеобразие свойств всех новых частиц проявилось в процессах их рождения и последующих превращений. Так, позитрон создается гамма-квантом высокой энергии (γ-квантом) (см. Гамма-излучение) всегда в паре с электроном в сильном электрическом поле атомного ядра; сами γ-кванты возникают за счет рождения и распада нейтральной разновидности пиона π⁰, и они же излучаются электронами и позитронами при торможении в поле ядра. «Прародителями» этих частиц являются, как правило, протоны, прилетающие из космоса в атмосферу Земли и при последовательных столкновениях с атомными ядрами рождающие каждый раз целый «веер» пионов, заряженных и нейтральных (рис. 2). Такое множественное рождение частиц связано с их сильным взаимодействием:, которое примерно в 100 раз интенсивнее электромагнитного взаимодействия.

На рис. 3 показана в общих чертах схема ядерно-каскадного процесса, при котором образуются три основные компоненты вторичного космического излучения: ядерно-активная (протоны и нейтроны из ядер + пионы), проникающая, или жесткая (мюоны), и мягкая (электронно-фотонная). При очень высоких энергиях (> 10¹⁴ эВ) каскадные процессы развиваются настолько интенсивно, что все их «продукты» образуют так называемый широкий атмосферный ливень — поток из миллионов частиц, «орошающий» участок земли в несколько квадратных километров.

К концу 1940-х гг. был изучен энергетический спектр и состав первичного излучения. Оказалось, что его поток, хотя и быстро убывает с ростом энергии (почти по квадратичному закону), все еще простирается до огромных энергий — порядка 10²⁰ эВ.

Уникальная проникающая способность космических лучей используется иногда для прикладных целей — для «просвечивания» больших толщ грунта, рудных тел и пустот, а также массивных сооружений в поисковой и инженерной геологии.

Большая научная ценность изучения космических лучей состоит в определении их первичного ядерного состава (который в общих чертах повторяет состав химических элементов во Вселенной), а также их вариаций в пространстве и времени. Попытки установить происхождение этих частиц привели астрофизиков к познанию ряда процессов их ускорения в очень сильных и протяженных электромагнитных полях вокруг уникальных космических тел — сверхновых звезд, пульсаров (т. е. быстро, вращающихся нейтронных звезд), «черных дыр» и т. д. (см. Астрофизика). Ведутся наблюдения источников космических лучей по приходящим от них электромагнитным излучениям широкого диапазона — от радиоволн до гамма-квантов сверхвысокой энергии.