Landsberg-1985-T3

излучение испускается не каким-либо отдельным небес­ ным телом, а приходит равномерно со всех направлений мирового пространства. Ввиду этого излучению, вызываю­

щему остаточную ионизацию, было дано название косми­

ческого излучения или космических лучей.

Природа космического излучения оказалась весьма сложной. Только в пятидесятых годах, опираясь на резуль­

таты многочисленных исследований, среди которых видное

место занимают работы школы советского физика Д. В. СКО­

бельцына, удалось составить известное представление о кар­ тине этого явления в целом. ПО современным представле­

ниям пер в и ч н о е к о с м и ч е с к о е излучение, т. е.

излучение, приходящее из мировых глубин в земную ат­

мосферу, состоит ИЗ быстро движущихся положительно

заряженных частиц - протонов - и в меньшем числе -

а-частиц и других ядер. Энергия первичных частиц косми­

ческого излучения огромна - она измеряется миллиарда­

ми электронвольт, а в некоторых случаях доходит даже до

фантастических значений 1021 эВ; при этом чем больше энер­

ГИя частицы, тем меньше встречается таких частиц в первич­

ной компоненте. Относительно механизма ускорения, пу­

тем которого во Вселенной образуются частицы такой ог­

ромной энергии, существует ряд предположений, исследо­

вание которых продолжается.

Из первичного космического излучения только малая

доля доходит до поверхности Земли. Подавляющая часть

первичных частиц еще в верхних слоях атмосферы сталки­

вается с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Ввиду

громадной энергии первичных частиц такие соударения приводят !{ расщеплению атомных ядер с испусканием быст­

рых нейтронов, протонов и а-частиц. Кроме того, соударе­

ния частиц большой энергии с ядрами сопровождаются образованием новых частиц - различных мезонов и гипе­

ронов (см. § 234). В зависимости от вида гипероны превра­ щаются. в мезон и нуклон (нейтрон или протон). Мезоны

Итак, в результате соударения быстрой пер в и ч н о й частицы с атомным ядром образуется значительное коли­

чество в т о р и ч н ы х частиц меньшей энергии - прото­ нов, нейтронов, а-частиц, различных гиперонов и мезонов, электронов, позитронов, у-квантов. Пример такого процес­

са приведен на рис. 418. Вторичные частицы, продвигаясь

в атмосфере, в СВОЮ очередь раз м н о ж а ю т с я за счет ядерных расщеплении и других процессов, примером ко-

604

торых служит образование электронно-позитронных пар

у-квантами (см. § 223).

Наряду с размножением частиц в аТМОСфере происхо­

дит их поглощение, аналогично тому, как ПРОИСХОдит по­

глощение (Х-, р- И у-частиц при прохождении через вещество.

Вверхних слоях атмосферы преобладающим Процессом

является разшюжепие, и число частиц космического излу­

чения нарастает вплоть ДО высоты --20 км над уропнем моря.

Ниже этой граllIlЦЫ глаrзную роль играет поглощение, и

интенсивность излучения падает. График зависимости ин­

тенсивности КОС\!ИЧСС1(()Г() излучения от высоты пр наеден

на рис. 421.

Рис. 421. Зависимость интснсивности космического ИЗЛУЧСIlИ я от вы­

соты над уровнем мор я. На высотах выше 50 км присутствует только пер­

вичная компонента космичсского излучения, приходящая из мирового

пространства, и интенсивность излучения не зависит от высоты. Ниже

50 км интенсивность внача.~е увеличивается за счет образования вто­

ричных частиц, а затем падает за счет возрастающсго поглощения в ат-

мосфере

Полная энергия, которую приносят КОС).1ические лучи на ЗБIJ1Ю, весьма мала по сравнению с энергией, приноси­

мой световым излучением Солнца. Поэтому влияние косми­

ческого излучения на неживую прнроду Земли, по-види­

мому, невелтшо. В развитии жизни оно, возможно, сущест­

венно, так как ионизующие излучения увеличивают частоту

мутаций и, следовательно, скорость эволюции. Иссле­

дование космического излучения имеет большое значение

для познания Э,IJементарных частиц и Вселенной. Косми­

ческое излучение яrзляется естественной лабораторией, в которой разыгрываются процессы взаимодействия частиц огромной энергии, далеко превосходящей энергию частиц, УСКОРЯб!ЫХ самыми мощными лабораторными ускорителя­

ми. По мере увеличения энергии элементарных частиц воз-

605

растает богатстВо явлений, ими вызываемых, полнее раскры­

ваются свойства частиц.

Исследования космического излучения привели в свое

время к открытию позитрона и ряда мезонов; подробное изучение этих частиц было проведено в дальнейшем с по­ мощью ускорителей. Можно думать, что и в будущем изу­

чение космического излучения будет приносить ценные дан­

ные об элементарных частицах, особенно в связи с начина­

ющимся использованием космических лабораторий (спут­

ников). Все больше возрастает также роль космического

излучения как источника астрофизической информации, т. е. сведений о процессах, ПРОИСХОдящих в далеких облас­ тях Вселенной, где излучение зарождается и распростра­

няется.

Радидуглеродная датировка 8 археологии. Нейтроны

космических лучей, взаимодействуя с атмосферным азо­

том, образуют р-активный изотоп углерода 14С, так назы­ ваемый радиоуглерод (период полураспада 5730 лет):

l~N +n --+ 1:С +iH.

Радиоуглерод содержится в воздухе в форме углекисло­ ты, как и обычный углерод 12С, в пропорции 14С: 12С::::::::

:::::::: 1 : 1012. Так как Химические свойства всех изотопов углерода очень близки, такая же их пропорция сохра­

няется и в растениях, усваивающих атмосферную углекис­

лоту, и в организме животных, питающихся растениями.

Таким образом, животные и растения обладают крайне

слабой, но поддающейся измерению радиоактивностью.

После смерти животного или растения поглощение угле­

рода прекращается и активность нс в останках постепенно уменьшается (вдвое за каждый период полураспада, т. е.

за каждые 5730 лет). Сравнивая радиоактивность ископа­

емых органических остатков (отнесенную к 1 г углерода) с радиоактивностью современных растений или животных, можно определить степень распада 14С, а следовательно, и

Для проверки справедливости этой идеи были проведе­

ны измер-ения с объектами известного возраста, в частности

с образцами дерева из гробниц египетских фараонов Джо­ сера и Спофру. Измеренная активность нс хорошо соот­ ветствовзла известным из рукописей датам смерти этих фа­

раонов (примерно 2700-2625 лет до нашей эры).

Результаты подобных опытов доказали, что удельное содержание не в углекислоте воздуха за последние 50-

100 тысяч лет оставалось неизменным и что действительно

606

лось установить общую природу слабых и электромагнит­

ных сил.

В последние годы были созданы гигантские, даже по срав­

нению с огромным Серпуховским ускорителем (рис. 393),

ускорители, позволившие примерно на два порядка увели­

чить энергию, доступную для образования Новых частиц.

При этом важную роль начали играть опыты на так назы­

ваемых ускорителях-накопителях со встречнымн пучками.

Чем же различаются между собой эти ускорители?

В опытах на «обычных» ускорителях, или, как еще гово­

рят, на ускорителях с фиксированными мишенями, иссле­

дуются процессы взаимодействия ускоренных частиц с

«неподвижными мишенями» - нуклонами и ядрами атомов

вещества, из которого сделаны мишени. При этом только

сравнительно малая часть энергии ускоренных протонов

или электронов может быть затрачена «полезным обра­

зом» - на образование новых частиц. Так как на,lIетающие

на мишень бомбардирующие частицы имеют большой началь­

Ный импульс, то, в соответствии с законом сохранения,

этот импульс должен уноситься всеми вторичными части­

цами, образующимися при взаимодействии. Эти частицы, конечно, будут обладать и значительной кинетической энер­ гией. Таким образом, большая часть начальной энергии

переходит в кинетическую энергию продуктов ядерной ре­

акции, и только сравнительно небольшая ее доля может

быть затрачена на образование новых частиц.

Напомним решение задачи 58 (гл. хху), в которой было показано, что для образования протон-антипротонной па­

ры в реакции p+p~p+p+p+p первичный протон должен

обладать кинетической энергией WK >6 тс2, хотя «полезные

затраты» энергии составляют всего 2 тс2• Вся остальная

энергия переходит в кинетическую энергию вторичных час­

тиц. Подобная картина имеет место и в других процессах. В отличие от ускорителей с фиксированными мишенями,

накопители на встречных пучках позволяют использовать

всю начальную энергию. Основная идея здесь заключается в том, чтобы создать два очень иитенсивных и хорошо сфо­

кусироваиных пучка ускоренных частиц и, направив их

навстречу друг другу, осуществить лобовое соударение меж­

ду ними. При этом суммарный импульс двух сталкиваю­

щихся частиц равен нулю, и образующиеся вторичные час­

тицы могут обладать очень малой кинетической энергией

(порог рождения соответствует образованию покоящихся

частиц). Так, при встречных соударениях двух протонов с кинетическими энергиями WKP ;;:':mc2 уже могут рождаться

609

Т а б л и ц а 12. Самые большие ускорители

А. Ускорители Q фиксированными мишенями

Б. Накопители со встречиыми пучками

611

612

измерять их энергию, импульс, скорость, ионизацию, иден­

тифицировать .:асти~ы и подробно исследовать характерис­ тики взаимодеиствии. В состав таких установок обязатель­

но входят несколько электронно-вычиоlИТельных машин,

Рис. 422. Общий вид экспериментальной установки UA-l, на которой

проводились исследования рр-соударсний на самом большом в мире

ускорителе-накопителе со встречными протонным и антипротонным

пучками (SРS-коллайдер ЦЕРН, см. табл. 12). Установка UA-l - это

огромный магнитный спектрометр для измерения импульсов вторич­

ных частиц, образующихся в Рр-соударениях. Частицы регистрирова­

лись в газоразрядной камере (она видна в центре установки). Камера представляет собой совокупность большого числа газоразрядных де­

текторов частиц, напоминающих пропорциональные счетчики. С по­ мощью этих детекторов определяются траектории частиц. В состав

установки входит также большое число сцинтилляционных счетчиков

с помощью которых быстро обрабатывается полученная информация, настраиваются многочисленные элементы ап­

паратуры, контролируется затем правильность их работы,

получаются первые физические результаты, позволяющие

следить за проведением эксперимента в целом. Полученные в процессе измерений огромные объемы информации после некоторого предварительного отбора записываются на маг­

нитные ленты и затем обрабатываются на самых больших

ибыстродействующих электронно-вычислительных маши-

613