Курс физики для вузов - часть 128

тодам регистрации радиоактивных из-
лучений и частиц (см. § 261), приводят
к выводу, что его интенсивность быстро
растет с высотой, достигает максимума,

затем уменьшается и с h  50 км остает-

ся практически постоянной (рис. 350).

Различают первичное и вторичное

космическое излучение. Излучение,
приходящее непосредственно из космо-
са, называют первичным космическим
излучением. Исследование его состава
показало, что первичное излучение
представляет собой поток элементар-
ных частиц высокой

 причем

более 90 % из них составляют протоны
с энергией примерно

 эВ, око-

ло 7 % —

 и лишь небольшая

доля (около 1 %) приходится на ядра
более тяжелых элементов

 > 20).

По современным представлениям,

основанным на данных астрофизики и
радиоастрономии первичное космиче-
ское излучение имеет в основном галак-
тическое происхождение. Считается,
что ускорение частиц до столь высоких

энергий может происходить при стол-
кновении с движущимися межзвездны-
ми магнитными полями. При h  50 км

(см. рис. 350) интенсивность космичес-
кого излучения постоянна; на этих вы-

сотах наблюдается лишь первичное из-
лучение.

С приближением к Земле

ность космического излучения возрас-
тает, что свидетельствует о появлении
вторичного космического излучения,
которое образуется в результате взаи-
модействия первичного космического
излучения с ядрами атомов земной ат-
мосферы. Во вторичном космическом
излучении встречаются практически
все известные элементарные частицы.
При h < 20 км космическое излучение

является вторичным; с уменьшением h
его интенсивность понижается, по-
скольку вторичные частицы по мере

Рис. 350

продвижения к поверхности Земли ис-
пытывают поглощение.

В составе вторичного космическо-

го излучения можно выделить два ком-
понента: мягкий (сильно поглощается
свинцом) и жесткий (обладает в свин-
це большой проникающей способнос-
тью).

Происхождение мягкого компонен-

та объясняется следующим образом.

В космическом пространстве всегда

имеются

 с энергией Е >

которые в поле атомных ядер превра-
щаются в электронно-позитронные
пары (см. § 263). Образовавшиеся та-
ким образом электроны и позитроны,
тормозясь, в свою очередь, создают

 энергия которых еще доста-

точна для образования новых электрон-

 пар и т.д. до тех пор,

пока энергия

 не будет мень-

ше

 (рис. 351). Описанный про-

цесс называется

 (или каскадным)

ливнем. Хотя первичные частицы, при-
водящие к образованию этих ливней,

обладают огромными энергиями, но лив-
невые частицы являются «мягкими» —

511

не проходят через большие толщи веще-
ства. Таким образом, ливневые части-
цы — электроны, позитроны и

 —

и представляют собой мягкий компо-
нент вторичного космического излуче-
ния. Природа жесткого компонента бу-
дет рассмотрена ниже (см. § 270).

Исследование космического излуче-

ния, с одной стороны, позволило на на-

чальном этапе развития физики эле-

ментарных частиц получить основные
экспериментальные данные, на кото-

рых базировалась эта область науки, а

с другой — дает возможность и сейчас
изучать процессы с частицами сверхвы-
соких энергий вплоть до 10

21

 эВ, кото-

рые еще не получены искусственным

путем. С начала 50-х гг. XX в. для ис-
следования элементарных частиц ста-

ли применять ускорители (позволяют
ускорять частицы до сотен гигаэлект-
рон-вольт; см. §

 в связи с чем кос-

мическое излучение утратило свою ис-
ключительность при их изучении, оста-
ваясь
частиц в области сверхвысоких энергий.

§ 270. Мюоны и их свойства

Японский физик X. Юкава (1907 —

1981), изучая природу ядерных сил (см.

§ 254) и развивая идеи отечественных

ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об
их обменном характере, выдвинул в

1935 г. гипотезу о существовании час-

тиц с массой, в 200 — 300 раз превыша-
ющей массу электрона. Эти частицы
должны, согласно Юкаве, выполнять
роль носителей ядерного взаимодей-
ствия, подобно тому, как фотоны
ются носителями электромагнитного
взаимодействия.

К. Андерсон и С. Неддермейер, изу-

чая поглощение жесткого компонента
вторичного космического излучения в

свинцовых фильтрах с помощью ка-
меры Вильсона, помещенной в магнит-
ное поле, действительно обнаружили

(1936) частицы массой, близкой к ожи-

даемой

 Они были названы

впоследствии

Доказано, что жесткий компонент

вторичного космического излучения
состоит в основном из мюонов, кото-
рые, как будет показано ниже, образу-
ются вследствие распада более тяжелых
заряженных частиц

 и

Так как масса мюонов большая, то ра-
диационные потери для них пренебре-
жимо малы, а поэтому жесткий компо-
нент вторичного излучения обладает
большой проникающей способностью.

Существуют положительный

 и

отрицательный

 мюоны; заряд мю-

онов равен элементарному заряду е.

Масса мюонов (оценивается по произ-
водимому ими ионизационному дейст-
вию) равна

 время жизни

 и

 одинаково и равно 2,2 •

 с.

Исследования изменения интенсивно-

сти жесткого компонента вторичного
космического излучения с высотой по-
казали, что на меньших высотах потоки
мюонов менее интенсивны. Это говорит
о том, что мюоны претерпевают само-
произвольный распад, являясь, таким
образом, нестабильными частицами.

Распад мюонов происходит по сле-

дующим схемам:

где

 И

 — соответственно

ные» нейтрино и антинейтрино, ко-
торые, как предположил Б. М. Понте-

корво

 1993) и эксперименталь-

но доказал (1962) американский физик
Л.Ледерман (р. 1922), отличаются от

 и

 —

 нейтрино

и антинейтрино, сопутствующих ис-

512

пусканию позитрона и электрона соот-
ветственно (см. § 263, 258). Существо-
вание

 следует из законов со-

хранения энергии и спина.

Из схем распада (270.1) и (270.2)

следует, что спины мюонов, как и элек-
трона, должны быть равны

 так как спины нейтрино

и антинейтрино

 взаимно компен-

сируются.

Дальнейшие эксперименты привели

к выводу, что мюоны не взаимодейству-
ют или взаимодействуют весьма слабо
с атомными ядрами, иными словами,
являются

 части-

цами. Мюоны, с одной стороны, из-за
ядерной пассивности не могут рождать-
ся при взаимодействии первичного ком-
понента космического излучения с яд-
рами атомов атмосферы,  с

 — из-

за нестабильности не могут находиться
в составе первичного космического из-
лучения. Следовательно, отождествить

мюоны с частицами, которые, согласно
X. Юкаве, являлись бы носителями ядер-
ного взаимодействия, не удалось, так
как такие частицы должны интенсивно
взаимодействовать с ядрами.

Эти рассуждения и накопленный

впоследствии экспериментальный ма-
териал привели к выводу о
жны существовать какие-то ядерно-ак-
тивные частицы, распад которых и при-
водит к образованию мюонов. Действи-
тельно, в 1947 т. была обнаружена час-
тица, обладающая свойствами, предска-
занными Юкавой, которая распадается
на мюон в нейтрино. Этой частицей ока-

зался

§ 271. Мезоны и их свойства

 (1903 — 1969; английский

физик) с сотрудниками, подвергая на
большой высоте ядерные фотоэмульсии

действию космических лучей

обнаружили ядерно-активные части-
цы — так называемые

 (от

 «мезон» — средний), или пионы.

В том же году пионы была получены ис-
кусственно в лабораторных условиях
при бомбардировке мишеней из

 С и

Си

 ускоренными в синх-

роциклотроне до 300
сильно взаимодействуют с нуклонами

и атомными ядрами и, по современным
представлениям, обусловливают суще-
ствование ядерных сил.

Мезоны бывают положительные

отрицательные

 (их заряд равен

элементарному заряду е) и нейтраль-
ные

 Масса

 и

 оди-

накова и равна

 масса

равна

 Все пионы нестабильны:

время жизни соответственно для заря-

женных и нейтрального

 со-

ставляет 2,6 •

 и 0,8 •

 с.

Распад заряженных пионов проис-

ходит в основном по схемам

где мюоны испытывают
распад по рассмотренным выше схемам
(270.1) и (270.2). Из схем распада

 и

 следует, что спины за-

ряженных

 должны быть

либо целыми (в единицах

 либо рав-

ны нулю. Спины заряженных
нов по ряду других экспериментальных
данных оказались равными нулю.

Нейтральный пион распадается на

два

Спин

 так же как и спин

 равен нулю.

Исследования в космических лучах

методом фотоэмульсий

 и изуче-

ние реакций с участием частиц высоких

513

энергии, полученных на ускорителях,
привели к открытию К-мезонов, или
каонов, — частиц с нулевым спином и
с массами, приблизительно равными

 В настоящее время известно че-

тыре типа каонов: положительно заря-
женный

 отрицательно заряжен-

ный (К~) и два нейтральных

 и

Время жизни

 лежит в пре-

делах

 с в зависимости от их

типа.

Существует несколько схем распада

 Распад заряженных

нов происходит преимущественно по
схемам

Распад нейтральных

 в

основном происходит по следующим
схемам (в порядке убывания вероятно-
сти распада):

для короткоживущих

для долгоживущих

§ 272. Типы взаимодействий

элементарных частиц

Согласно современным представле-

ниям, в природе осуществляется четы-

ре типа фундаментальных взаимодей-

ствий: сильное, электромагнитное, сла-
бое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодей-

ствие обусловливает связь протонов

и нейтронов в ядрах атомов и обеспе-
чивает исключительную прочность
этих образований, лежащую в основе
стабильности вещества в земных усло-
виях.

Электромагнитное взаимодей-

ствие характеризуется как взаимодей-
ствие, в основе которого лежит связь с

электромагнитным полем. Оно харак-
терно для всех элементарных частиц, за
исключением нейтрино, антинейтрино
и фотона. Электромагнитное взаимо-
действие, в частности, ответственно за

существование атомов и молекул, обус-

ловливая взаимодействие в них поло-

жительно заряженных ядер и отрица-
тельно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наибо-

лее медленное из всех взаимодействий,

протекающих в микромире. Оно ответ-
ственно за взаимодействие частиц, про-
исходящих с участием нейтрино или
антинейтрино (например,

 а также за безнейтринные

процессы распада, характеризующиеся
довольно большим временем жизни
распадающейся частицы (т

 с).

Гравитационное взаимодействие

присуще всем без исключения части-
цам, однако из-за малости масс элемен-
тарных частиц оно пренебрежимо мало
и, по-видимому, в процессах микроми-
ра несущественно.

Сильное взаимодействие примерно

в 100 раз превышает электромагнитное
и в 10

14

 раз — слабое. Чем сильнее взаи-

модействие, тем с большей интенсивно-
стью протекают процессы. Так, время
жизни частиц,

 резонанса-

ми, распад которых описывается силь-

ным взаимодействием, составляет при-
мерно

 с; время жизни

за распад которого ответственно элект-
ромагнитное взаимодействие, составля-
ет

 с; для распадов, за которые от-

ветственно слабое взаимодействие, ха-

514