КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ поток частиц высокой энергии, преим. протонов, приходящих на
Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рождённое
ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное
излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные
частицы.

К. л.- уникальный
природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать
процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим
К. л. дают возможность обнаруживать и изучать ас-трофизич. процессы большого
масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космич. излучения
в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактич. среде.

Большинство
частиц первичного космич. излучения имеет энергию больше 10⁹эв
(1
Гэв), а энергия отд. частиц достигает 10²⁰ - 10²¹эв
(а может быть, и выше). До создания мощных
ускорителей заряженных
частиц К. л. были единственным источником частиц высоких энергий. В
К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы
и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами.
Хотя совр. ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют
проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до
энергий 10¹¹-10¹² эв, К. л. по-прежнему являются
единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более
высоких энергиях.

Подавляющая
часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы - из окружающего
её галактич. пространства (Галактики), т. н. галактические К. л.,
и лишь небольшая их часть, преим. умеренных энергий (<1 Гэв), связана
с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной
активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков
солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий
(>10¹⁷эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят
из Метагалактики).

Общий поток
энергии, приносимой К. л. на Землю (0,01 эрг на 1 см²в
1 сек), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком
солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако
не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определён-

ную роль в
ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах
всей Галактики ср. плотность энергии К. л. велика ( 1 эв/см³)
- порядка плотностей всех др. видов энергии: энергии тяготения (гравитации),
магнитных полей, кинетич. энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного
излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию
Галактики в целом.

В физике К.
л. чётко выделяются 2 осн. направления исследований: ядерно-физическое
(взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия
элементарных частиц) и к о с-мофизическое (состав и энергетич. спектр первичных
К. л.; генерация и распространение солнечных и галактич. К. л.; изменение
во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой
Земли, с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном
пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований
на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий.
Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью
спутников и космич. ракет перемещает центр тяжести второго направления
на более далёкие космич. объекты. Поэтому науч. результаты, получаемые
с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткры-вательский,
характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира
(в области характерных размеров <10^-13 см), так и
для развития физики космоса (10⁸-10²⁸ см).



Открытие
и основные этапы исследования К. л. Существование К. л. было установлено
в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха;
возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение.
Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере, помещённой в поле
лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын, 1927), и отклонения их
в магнитном поле Землч с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в
стратосферу
на
баллонах (С. Н. Верное и Р. Милликен, 1935-37), доказали,
что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном
протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей
части К. л. (до 15 Гэв). С помощью ядерных фотографических эмульсий,
поднятых
на высоту 30 км (Б Питере и др., 1948), в составе первичных К.
л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть
до ядер железа (рис. 1).

Детальное изучение
зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных
частиц, в частности позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона, А-гиперона
(1932-49).
В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона
группы близких по направлению генетически связанных частиц космич. излучения
- т. н. ливни. В опытах 1945-49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер,
Н.
А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено,
что вторичное космич, излучение образуется в результате взаимодействия
первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал,
что тот же механизм, но при более высоких энергиях (>10¹⁴ эв)
объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже, 1938) широких
атм. ливней - потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне
моря площади порядка 1 км²и более.

Для правильного
подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии.
Связанное
с К. л. нетепловое космич. радиоизлучение позволило обнаружить их возможные
источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский
на основе
радио-астрономич. наблюдений и энергетич. оценок впервые количественно
обосновали гипотезу о сверхновых звёздах как одном из основных галактич.
источников К. л.

Базой для космофизического
направления исследований явилась созданная в 50 - 60-е гг. обширная мировая
сеть станций К. л. (св. 150), на к-рых проводится непрерывная регистрация
космич.

излучения.
Многие станции находятся высоко в горах, на нек-рых станциях проводятся
подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами
автоматич. регистрации К. л.

Новые возможности
прямого изучения первичных К. л. в очень широком диапазоне энергий открылись
в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусств, спутниках Земли
и межпланетных автоматич. станциях. В частности, с помощью калориметра
ионизационного на спутниках серии "Протон" был впервые непосредственно
измерен энергетич. спектр первичных К.л. до энергии 10¹⁵эв
(сов. физик Н. Л. Григоров и др., 1965 - 1969). Позднее с помощью искусств,
спутников Луны и Марса, а также на советском "Луноходе-1" (1970-71) были
проведены длит, измерения вариаций состава и интенсивности К. л. за пределами
магнитосферы Земли.



Первичные
галактические К. л. Геомагнитные эффекты. Все экспериментальные данные
согласуются с тем, что поток первичных К. л., летящих к Земле из Галактики,
с высокой степенью точности (0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления.
Попадая в магнитное поле Земли, заряженные частицы космич. излучения отклоняются
от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца
силы). Поэтому интенсивность К. л. и их энергетич. спектр в околоземном
пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так
и от направления прихода К. л. Отклоняющее действие геомагнитного поля
проявляется тем сильнее, чем больше угол
между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля,
т. е. чем меньше геомагнитная широта ф места наблюдения. Т.о., при одной
и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях
и минимально вблизи магнитных полюсов. У экватора этот "геомагнитный барьер"
не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с
энергией меньше 15 Гэв и ядра с энергией 7,5 Гэв на нуклон
(протон или нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия
частиц быстро уменьшается
, и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду
с регулярной широтной зависимостью на интенсивности К. л. заметно сказываются
аномалии геомагнитного поля (особенно в р-не Южной Атлантики). В результате
распределение интенсивности К. л. по земному шару имеет довольно сложный
характер (рис. 2). В полярных областях
интенсивность К. л. у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной
активности ок. 0,4 частицы на 1 см² в 1 сек в
единице телесного угла.

С ростом энергии
К. л. их интенсивность сначала медленно, а затем всё более резко уменьшается
(рис. 3,а). При энергиях 10¹⁰ - 10¹⁵ эв поток
частиц с энергией выше нек-рой заданной энергии
(ин-гегральный спектр) падает по закону
(рис. 3,6). В области энергий >10¹⁵ эв единств, источником
сведений об энергетич. спектре К. л. (рис. 3,в) являются данные по широким
атм. ливням (см. ниже); этот спектр уже нельзя представить единым степенным
законом, что может объясняться примесью метагалак-тических К. л.

Более 90% частиц
первичных К. л. всех энергий составляют протоны, примерно 7%- альфа-частицы
и лишь небольшая доля ( 1 % ) приходится на ядра элементов более тяжёлых,
чем водород и гелий. Несмотря на это, ядра с Z>1 несут ок. 50% всей энергии
К. л. Уменьшение распространённости с ростом атомного номера элемента в
К. л. идёт медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще.
Особенно велико в К. л. содержание ядер лёгких элементов Li, Be, В, естеств
распространённость к-рых чрезвычайно мала (<=10⁷%). Имеется
также избыток тяжёлых ядер (Z>=6). Из этого следует, что в источниках К.
л. преобладает ускорение тяжёлых ядер, а более лёгкие ядра возникают за
счёт расщепления тяжёлых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным
веществом, В период 1966-71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных
детекторов заряженных частиц в К. л. об-

Рис. 2. Карта
изокосм - линий равной интенсивности космических лучей - на высотах 200
км,
по
данным третьего советского корабля-спутника (1960) [сплошная жирная линия
- геомагнитный экватор]; прерывистые линии - менее надёжные данные, основанные
на малом числе измерений. Интенссивность указана в относительных единицах.

наружены ядра
значительно тяжелее железа-вплоть до урана, а возможно и ещё более тяжёлые,
причём их потоки падают с ростом Z примерно как Z-⁷- Z-⁸.
В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэв на нуклон) ядерный
состав К. л. таков: протоны - ок. 92%, ос-частицы - ок.. 7% , ядра с Z
= 3-5 - ок. 0,1-0,15%, с Z = 6-9 - ок. 0,5%, с Z = 10-15 - ок. 0,1-0,15%,
с Z = 16-25- ок. 0,04% , с Z = 26 (железо) - 0,025%, с Z> 30 - 10-⁵%.
По содержанию в К. л. Li, Be, В, к-рых нет в источниках (эти элементы быстро
выгорают в результате протекающих в звёздах термоядерных реакций) и к-рые
образуются только в результате фрагментации, было оценено ср. количество
вещества, через к-рое проходят К.л. на пути от источников до Земли; оно
оказалось равным 3-5 г/см². Отсюда, если известна ср.
плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый К. л. в
Галактике, и ср. время жизни К. л. (см. ниже).

В состав первичных
К. л. входят также электроны и позитроны ( 1% ) и фотоны высоких энергий
--кванты (0,01%
при энергиях > 100 Мэв). Несмотря на незначит. долю в К. л., у-кванты
представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь магнитными полями
межзвёздного пространства, они позволяют обнаруживать отд. квазиточечные
источники К. л. Найдено уже ок. 20 таких источников. Из них наиболее интересен
пульсар
NP
0532 в Крабовидной туманности, дающий поток гамма-квантов 0,1-0,5 на 1
м² в 1 сек и являющийся одновременно мощным пульсирующим
источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток
квантов из центра Галактики с интенсивностью 1 частица на 1 м²
в 1
сек
в расчёте на единицу телесного угла.

Внутри магнитосферы
Земли, на высотах >=1000 км от земной поверхности, помимо потока
К. л., присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов,
захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли.
Происхождение
внутр. области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком
(альбедо) нейтронов, выбиваемых К. л. из ядер атомов, составляющих атмосферу
Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, к-рые удерживаются
в естественной магнитной ловушке магнитосферы. Земли.



Солнечные
К. л. Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных
кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце.
При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц солнечной плазмы
электромагнитными
полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных
К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц
электрич. полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной
плазмы с противоположно направленными магнитными полями (сов. физик С.
И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных
К. л. во время нек-рых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки
галактич. К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февр. 1956 наблюдалось 300-кратное
возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять
серьёзную угрозу безопасности космич. полётов. Поэтому очень важны систематич.
наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио-и рентгеновского излучения
и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями
интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космич.
полётов.

В среднем вклад
солнечных К. л. в общую интенсивность космич. излучения составляет несколько
процентов.

Хим. состав
солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от
галактич. К. л., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что
количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (<0,1
г/cм²) и что их гене рация не может происходить в глубине солнечной
атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение
происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Рис. 3. Энергетический
спектр первичных космических лучей (в логарифмическом масштабе): а -
дифференциальный
спектр (зависимость интенсивности I от энергии)
в области умеренных энергий для протонов (р) и а-частиц; нанесены также
экспериментальные точки; 6-интегральный спектр (для

всех частиц)
в области высоких энергий [экспериментальные точки получены на спутниках
серии "Протон" (1, 2, 3)]; в - в области

сверхвысоких
энергий [пунктирные линии ограничивают экспериментальные значения /].

Рис. 4. Схема,
иллюстрирующая характер солнечного ветра и структуру регулярного межпланетного
магнитного поля (спираль) в области модуляции галактических космических
лучей; штриховая окружность - орбита Земли.

Частицы солнечных
К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их
энергетич. спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются
долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках
генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии
регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв (т.
е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии
оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы, Земли
в высоких широтах, вызывая дополнит, ионизацию её нижних слоев. Это приводит
к ослаблению радиоволн, а в нек-рых случаях- к полному прекращению радиосвязи
на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К. л., их энергетич.
спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре
магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных
и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К. л. помогает лучше
понять такие геофизич. явления, как геомагнитные бури, полярные сияния
и пр.

Характер возрастания
потока солнечных К. л. на Землю показывает, что в начальный период после
вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под
углом примерно 45⁰ к западу от направления на Солнце. Это явилось
первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного
поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4).



Модуляция
галактических К. л. солнечным ветром. Среди периодич. временных вариаций
интенсивности галак-тич. К. л. гл. роль играют модуляции интенсивности,
совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны
с рассеянием и "выметанием" К. л. галактич. происхождения неоднородно намагниченными
регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300-500
км/сек.
Такие
потоки, получившие назв. солнечного ветра, распространяются далеко за пределы
орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (а. е.); 1 а. е."
и 150 млн. км], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы
в слое, пограничном с невозмущённым галактич. магнитным полем (рис. 4).
Согласно данным о двух последних циклах (1948-59 и 1959-70), интенсивность
К. л. вблизи

границы земной
атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2-2,5 раза
по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда
частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций К. л. оказывается
гораздо меньшей (рис. 5).

Существуют
и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактич. К. л., обусловленные
различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные
с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные
вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных
свойств среды, в к-рой распространяются К. л. Совокупность сведений о модуляционных
эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные
размеры области модуляции К. л. солнечным ветром составляют 2-5 а. е.

Рис. 5. Одиннадцатилетний
цикл солнечной активности, характеризуемой числом групп пятен W на Солнце
(а), и относительных изменений интенсивности I космических лучей
всех энергий , по данным наблюдений высокоширотной станции (б). По оси
абсцисс отложены годы.



Происхождение
и возраст галактических К. л. Осн. источником К. л. считаются взрывы
сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной
скоростью оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие
к ускорению заряженных частиц до энергий 10¹⁵ эв и
выше. Гл. экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения К.
л. от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение
частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957),
возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к
Солнечной системе. Свойства этого излучения таковы, что его следует приписать
синхротронному
излучению (магнитотормозному излучению) - излучению быстрых электронов
в магнитных полях, "вмороженных" в потоки звёздной плазмы, выброшенной
при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное
радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рождённых взрывами
сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного
излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже
-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до
10¹² эв). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся
оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных
частиц - протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не
испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При
этом чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения
(т. н. инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в неполностью ионизованном
состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что
облегчает их "утечку" за пределы плотной оболочки звезды (в к-рой магнитное
поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике
вообще (1 раз в 30-50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10⁵¹
- 10³² эрг, или 10⁶³ - 10⁶⁴ эв)
и предположить, что 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц,
то можно объяснить как ср. плотность энергии К. л. (-1 эв/см³),
так
и отсутствие заметных колебаний потока К. л.

Методами радиоастрономии
были зарегистрированы и ещё более мощные источники К. л. (точнее, их электронной
компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками
являются, в частности, интенсивно излучающие квазизвёздные объекты малой
протяжённости - квазары, ядра нек-рых галактик, испытывающие
резкое расширение взрывного типа, а также радиогалактики с характерными
для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в
масштабе целых галактик).

Ускоренные
в галактич. источниках тяжёлые заряженные частицы распространяются затем
по сложным траекториям в межзвёздном пространстве, где на них действуют
слабые [(3-6)10^-6 гс] нерегулярные и неоднородные
магнитные поля облаков межзвёздной плазмы. Заряженные частицы "запутываются"
в этих магнитных полях (напряжённость к-рых значительно повышается в областях
спиральных рукавов Галактик ;, одновременно с увеличением концентрации
межзвёздной плазмы). При этом движение К. л. носит характер диффузии, при
к-рой частицы с энергиями до 10¹⁷-10¹⁸ эв могут
удерживаться в пределах нашей Галактики в течение десятков млн. лет. Диффузионное
движение частиц К. л. обусловливает практически полную изотропию их потока.
Лишь при более высоких энергиях радиусы кривизны траекторий частиц (особенно
протонов) становятся сравнимыми с размерами галактик и происходит интенсивная
"утечка" К. л. в метагалактич. пространство. Несмотря на высокую степень
разреженности вещества, длительные странствия частиц в Метагалактике приводят
к потерям энергии в новых процессах -фотоядерных реакциях на фоновом электромагнитном
излучении (оно наз. реликтовым излучением), оставшемся от ранних
стадий расширения некогда горячей Вселенной. Наличие этого процесса сильно
снижает вероятность того, что наиболее энергичная часть спектра К. л. обусловлена
метагалактич. компонентой.

Принципиально
новые возможности экспериментального изучения источников наиболее энергичной
части спектра К. л. (вплоть до энергий 10²⁰-10²¹эв)
открылись
после обнаружения уникальных аст-рофизич. объектов - пульсаров. По совр.
представлениям, пульсары - это небольшие ( 10км
в диаметре) нейтронные
звёзды, возникшие в результате быстрого гравитац. сжатия (коллапса гравитационного)
неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитац. коллапс приводит к колоссальному
увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного
поля (до 10¹³гс) и скорости вращения (до 10³
оборотов в сек). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения
тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий 10²¹
эв и электронов до энергий 10¹²эв. И действительно,
наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с
тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и гамма-излучение, к-рые
можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых
электронов. Т. о., синхротронное излучение электронов К. л., обусловленное
сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых "горячих"
объектов - источников К. л., позволяет решать проблему происхождения К.
л. методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии,
рентгеновской
астрономии, гамма-астрономии ).

Важную дополнит,
информацию об источниках и возрасте К. л. дают исследования ядерного состава
К. л. Из небольшого относит, содержания в К. л. ядер Be следует, что радиоактивный
изотоп ¹⁰Ве (ср. время жизни к-рого ок. 2 млн. лет) успевает
практически полностью распасться, откуда получается оценка верхнего предела
возраста К. л. 20-50 млн. лет. Примерно того же порядка (10-30 млн. лет)
оценки получаются из относительного содержания группы лёгких ядер (Li,
Be, В) в целом, а также по ср. времени, к-рое требуется электронам К. л.
для диффузного распространения от внутригалактич. источников до границ
Галактики. Анализ состава сверхтяжёлой ядерной компоненты (Z > 70) даёт
ср. возраст К. л. не более 10 млн. лет.

Ещё один способ
проверки различных гипотез происхождения К. л.- измерение интенсивности
К. л. в далёком прошлом, в частности в периоды известных вспышек ближайших
сверхновых (напр., вспышки в 1054). Существуют два метода, с помощью к-рых
можно было бы обнаружить эффекты возрастания интенсивности К. л. в прошлом
не только в результате взрыва сравнительно недалёких от Солнечной системы
сверхновых звёзд, но и в результате возможных гораздо более мощных взрывных
процессов в ядре Галактики. Это радиоуглеродный метод, в к-ром по концентрации
изотопа ¹⁴С в различных годичных кольцах очень старых деревьев
определяют темп накопления в атмосфере ¹⁴С, образующегося в
результате ядерных реакций под действием К. л., и метеоритный метод, основанный
на изучении состава стабильных и радиоактивных изотопов метеоритного вещества,
подвергавшегося длительному воздействию К. л. Эти методы свидетельствуют
о том, что ср. интенсивность К. л. сравнительно мало отличалась от современной
в течение десятков тысяч и миллиарда лет соответственно. Постоянство интенсивности
К. л. в течение миллиарда лет делает маловероятной гипотезу о происхождении
всех К. л. в процессе взрыва ядра нашей Галактики, к-рый считается ответственным
за образование галактич. гало (пока не доказанного прямыми наблюдениями).

Взаимодействие
К. л. с веществом. 1. Ядерно-активная компонента К- л. и множественная
генерация частиц. При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К. л.
высокой энергии (неск. Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы
(гл. обр. азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение неск.
нестабильных элементарных частиц (т. н. множественные процессы), в
основном-мезонов
(пионов) - заряженных
и нейтральных с
временами жизни 2,5*10-⁸ сек и 0,8*10-¹⁶ сек
соответственно.
Со значительно меньшей вероятностью (в 5-10 раз) рождаются К-мезоны и с
ещё меньшей - гипероны и практически мгновенно распадающиеся
резонансы.
На
рис. 6 приведена фото-

Рис. 6. Фотография
множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного
космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано (помимо
нейтральных) свыше 300 заряженных частиц, главным образом пионов.

графия множеств,
рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают
из одной точки в виде узкого пучка. Ср. число вторичных частиц, образующихся
в одном акте взаимодействия протона (или л-мезона) с лёгким ядром или одним
нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии
сначала по степенному закону, близкому к
(вплоть до ж 20 Гэв),
а
затем (в области энергий 2*10¹⁰-10¹³ эв) этот рост
замедляется и лучше описывается логарифмич. зависимостью. В то же время
косвенные данные по широким атм. ливням указывают на процессы значительно
более высокой множественности при энергиях >= 10¹⁴ эв.

Угловая направленность
потока рождённых частиц в широком интервале энергий первичных и рождённых
частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению
первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300-400
Мэв/с,
где
с - скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях
частицы, когда энергией покоя частицы тс² можно пренебречь
по сравнению с её кинетич. энергией, импульс частицы
поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с).

Первичные протоны
при столкновении теряют в среднем ок. 50% начальной энергии (при этом они
могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся
при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рождённые
в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с
потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях
и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множеств, образование пионов.
Ср. пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято
измерять удельной массой пройденного вещества; он составляет для первичных
протонов 90 г/см² воздуха, т. е. 9% всей толщи атмосферы.
С ростом атомного веса вещества А ср. пробег постепенно возрастает
(примерно как А '³), достигая 160 г/см²для
свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20-30
км),
но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на
глубине нескольких м грунта.

Вылетающие
при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные
пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К.
л. Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов
и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной
генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит
к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и
к быстрому уменьшению их ср. энергии. Когда энергия отд. частицы становится
меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются
(как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления
атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий
поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения
в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7, кривая 1), и на уровне моря (1000
г/см²) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Рис. 7. Поглощение
космических лучей в атмосфере - зависимость интенсивности I космических
лучей (для 50⁰ с. ш.) от толщины t пройденного слоя:
I -ядерно-активная компонента (протоны и а-ча-стицы); 2 - мягкая компонента;
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:
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
а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения
испускают
новые фотоны 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-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-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.

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(заряженную
нестабильную частицу с массой покоя м " 207 мгде т
" 2-10⁶ сек)и нейтрино
(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
= = 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.

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)
его "обрастание", электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов
) - 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.

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-

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;
- пионы; - мюоны;
- позитрон и электрон; v - нейтрино;
- 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).

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. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино,
М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии,
М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., Космические лучи, пер. с англ., М.,
1966; Добро-тин Н. А., Космические лучи, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы
высоких энергий, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей,
М., 1968.

Г. Б. Жданов.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я