© Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы» разработан в рамках ВКР магистра
по направлению подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».
ВГПУ  – 2018 г.

Роль космического излучения в развитии

физики элементарных частиц

 Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излучения. Об этом свидетельствует ряд открытий сделанных в физике микромира. Так с помощью камеры Вильсона исследования космических лучей в 1932 году позволили обнаружить американскому физику К. Андерсену первую античастицу – позитрон. В 1937 году К. Андерсону вместе с другим американским физиком, С. Неддермайером, тем же способом удалось открыть ещё один тип элементарных частиц – мюоны (μ-мезоны). В 1947 году английским физиком С. Пауэллом были зарегистрированы пионы (π-мезоны). В 1955 году в космическом излучении было установлено наличие K-мезонов, а также тяжёлых нейтральных частиц – гиперонов. Квантовая характеристика «странность» также появилась в опытах с космическим излучением.  Благодаря экспериментам с космическим излучением возник вопрос о сохранении чётности, были “обнаружены процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях”, появилась возможность определения величины эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии и т. д. Обратимся к истокам открытия и исследования космического излучения.

Один из первых баллонных полётов В. Гесса

Впервые научная гипотеза о  возможности существования ионизирующего излучения внеземного происхождения была высказана в начале XX века при проведении опытов по изучению проводимости газов. К тому времени было уже известно о том, что все газы (в том числе и атмосфера) всегда слегка ионизированы. Эту ионизацию вызывают радиоактивные вещества присутствующие либо в их составе, либо рядом с измеряемым ионизацию прибором, либо в земной коре. Для проверки последнего предположения австрийским физиком В. Гессом в 1911-1912 годах были поведены опыты с подъёмом ионизированных камер на воздушном шаре. Если радиоактивные вещества сконцентрированы в земной коре, то по мере увеличения высоты подъёма камеры над поверхностью земли ионизация газа должна уменьшаться. Но эксперименты В. Гесса показали обратное: с увеличением высоты интенсивность радиоактивного излучения возрастала. Это наводило на мысль о том, что данное излучение может быть только космического происхождения. Доказать внеземное происхождение изучаемого излучения удалось лишь только после многочисленных опытов, проводимых уже другими учёными. А в 1936 году за открытие космического излучения В. Гессу (совместно с Карлом Андерсоном, как открывателю первой заряженной частицы в космическом излучении) была присуждена нобелевская премия.

Примерно так выглядела кривая изменения ионизации с высотой в экспериментах В. Гесса

В начале скорость ионизации падала вследствие уменьшения влияния радиоактивности самой Земли,

а затем, по неизвестной причине, начинала расти.

В 1921-1925 годах американским физиком Р. Милликеном были поставлены опыты по изучению поглощения ионизирующего излучения в свинце, из которых следовало, что оно обладает такой же большой проникающей способностью, как и гамма-излучение. Не имея точного представления об этом излучении, Р. Милликен был убеждён, что оно относится к гамма-излучению. Однако именно он был первым, кто называл его космическим. Из опытов, проведённых в 1925 году нашими советскими физиками Л. А. Тувимом и Л. В. Мысовским по измерению поглощения «космического излучения» в воде, следовало, что оно в десять раз слабее гамма-излучения.

В 1929 году немецкими физиками В. Боте и В. Кольхёрстером было поставлено ряд опытов с детекторами радиоактивных излучений на земле. Их эксперименты позволили убедиться в том, что космическое излучение всё-таки представляет собой не радиоактивное излучение (гамма-излучение – нейтральные фотоны), а поток каких-то заряженных частиц, идущих сверху. Доказательством этому стало открытие К. Андерсена  –  обнаружение в составе космического излучения античастицы электрона (позитрона) (см. историческую справку).

Зафиксированная на толсто-

слойной фотопластине уве-

личенная картина разрушения атомного ядра при попадании

в него частицы большой энергии

(около ).
След ударившей в ядро частицы невидим (по-види-
мому, это нейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны.

После открытия позитрона и мюонов с помощью камеры Вильсона физики уже знали, что космические фотоны и протоны с энергией порядка  в результате взаимодействия с ядрами атомов атмосферы рождают множество осколков атомных ядер и неизвестных до этого элементарных частиц, большая часть которых является нестабильными. Имея достаточно большую энергию, вторичные частицы при  следующих столкновениях с ядрами атомов атмосферы, способны также породить целый ряд частиц. Это явление получило название ливней вторичных космических частиц, которые  впервые открыл французский физик П. Оже в 1938 году.

Особое значение изучению таких частиц придавал и наш академик Д. В. Скобельцын. Сразу после войны, в 1947 им вместе с его ближайшими коллегами Г. Т. Зацепиным и Н. А. Добротиным были организованы комплексные исследования каскадов вторичных частиц в атмосфере, названных широкими атмосферными ливнями (ШАЛ).  Их опыты с камерой Вильсона, помещённой в постоянное магнитное поле, позволили увидеть треки искусственного каскадного ливня.

________________________________________________________________________________________

Частица высокой энергии, проходя через слой свинца,

создаёт ливень частиц, которые при прохождении

следующих слоев свинца создают новые ливни.

Искусственный каскадный ливень,

полученный в камере Вильсона,

перегороженной свинцовыми пластинами

________________________________________________________________________________________

При ряде экспериментов по исследованию вторичного космического излучения в его составе помимо жёсткого компонента (частиц, обладающих большой проникающей способностью в свинце – мюонов) был обнаружен также и его мягкий компонент (частицы, полностью поглощаемые в свинце – электроны, позитроны, вторичные γ-кванты и др.).

В дальнейшем были продолжены опыты по изучению зависимости интенсивности космического излучения от высоты над Землёй, которые показали, что она действительно, как и в опытах В. Гесса, возрастает с высотой, но только при поднятии над уровнем моря до  , где оно достигает своего максимального значения. Выше   его интенсивность понижается, а, начиная с высоты , становится постоянной.

Кривая зависимости интенсивности космического излучения от высоты над Землёй

Это объясняется тем, что на высотах наблюдается лишь первичное космическое излучение, т. е. то, которое приходит непосредственно из космоса*. Исследования его состава свидетельствовало о преимущественной концентрации высокоэнергетических протонов.

________________________________________________________________________________________

*По современным представлениям, основанным на данных астрофизики и радиоастрономии, это излучение имеет галактическое происхождение (в основном это взрывы свехновых звёзд). 

________________________________________________________________________________________

Возрастание интенсивности космического излучения при приближении к Земле ниже  ( ) свидетельствует о появлении в его составе вторичного излучения (см. выше), в котором встречаются практически все известные элементарные частицы. При  космическое излучение является вторичным. Уменьшение его интенсивности по мере продвижения к поверхности Земли  связано с увеличением поглощения элементарных частиц.

Исходя из всего выше изложенного можно сказать, что именно таким образом, о космическом излучении сформировалось представление, как о потоке высокоэнергетических частиц (преимущественно протонов), приходящих в земную атмосферу из мирового пространства, которые впоследствии способны рассеяться в ней на множество других элементарных частиц. Что и есть на самом деле.

И, несмотря на то, что с начала 50-х годов для получения и исследования элементарных частиц стали применять мощнейшие ускорители (до сотен гига- и тера-электронвольт), космическое излучение остаётся пока единственным источником, способным ускорить частицы до экстремально высоких энергий, что даёт возможность получить о них новые сведения.

О первых исследованиях космического излучения можно почитать в книгах Н. Добротина и В. Росси.