Элементарные частицы в космических лучах

Реферат на тему «Элементарные частицы в космических лучах»

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Содержание

Введение

1.Элементарные частицы

2.Космическое излучение

3.Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

4.Открытие мюонов в космических лучах. Их свойства

5.Мезоны в космических лучах. Их свойства

Введение

Конец XIX - начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы космическими лучами.

Датой открытия космических лучей принято считать 1912 год, когда австрийский физик В.Ф. Гесс с помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высотах свыше 2000 м начинает резко возрастать. Ионизующее излучение, слабо поглощаемое воздухом и увеличивающееся с увеличением высоты, образуется космическими лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства.

Космические лучи представляют собой ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в космических лучах ядра атомов водорода и гелия ( ~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~5 %. Небольшую часть космических лучей составляют электроны и позитроны (менее 1 %).

В данной работе я рассмотрю именно состав космических лучей, роль элементарных частиц в них.

Для начала нужно понять, что такое элементарные частицы, классифицировать их, выяснить природу космических лучей и понять взаимосвязь между элементарными частицами и космическими лучами.

1.Элементарные частицы

Развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, -- фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны -- легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны -- средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы -- тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. ГеллМанн высказал гипотезу о существовании кварков -- частиц с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 - 10^-24 с, после чего распадаются.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам -- кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гранитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц -- это кварки с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть -- лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.

В первом поколении -- «верхний и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором поколении -- «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем поколении - «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

См.приложения; таблица 1

Космическое излучение

Развитие физики элементарных частиц тесно связало с изучением космического излучения -- излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства. Измерения интенсивности космического излучения, проводимые методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и частиц, приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h=50 км остается практически постоянной.

По своему происхождению космические лучи можно разделить на несколько групп.

1) космические лучи галактического происхождения. Источником ГКЛ является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий ~10¹⁸ эВ.

2) космические лучи метагалактического происхождения, они имеют самые большие энергии, E>10¹⁸ эВ, образуются в других галактиках.

3) Солнечные космические лучи, генерируемые на Солнце во время солнечных вспышек.

4) Аномальные космические лучи, образующиеся в Солнечной системе на периферии гелиомагнитосферы.

Основными типами детекторов, которые используются при изучении космических лучей, являются фотоэмульсии и рентгеновские пленки, ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, счетчики нейтронов, черенковские и сцинтилляционные счетчики, твердотельные полупроводниковые детекторы, искровые и дрейфовые камеры.

Различают первичное и вторичное космические излучения. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Исследование его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток элементарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 10⁹ - 10¹³ эВ, около 7% б-частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z>20). По современным представлениям, основанным на данных астрофизики и радиоастрономии, считается, что первичное космическое излучение имеет в основном галактическое происхождение. Считается, что ускорение частиц до столь высоких энергий может происходить при столкновении с движущимися межзвездными магнитными полями. При h=50 км интенсивность космического излучения постоянна; на этих высотах наблюдается лишь первичное излучение.

С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. При h<20 км космическое излучение является вторичным; с уменьшением h его интенсивность понижается, поскольку вторичные частицы по мере продвижения к поверхности Земли испытывают поглощение.

В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жесткий (обладает в свинце большой проникающей способностью). Происхождение мягкого компонента объясняется следующим образом. В космическом пространстве всегда имеются г-кванты с энергией E>2m_ec², которые в поле атомных ядер превращаются в электронно-позитронные пары. Образовавшиеся таким образом электроны и позитроны, тормозясь, в свою очередь, создают, энергия которых еще достаточна для образования новых электронно-позитронных пар и т. д. до тех пор, пока энергия г-квантов не будет меньше 2m_ec². Отписанный процесс называется электронно-позитронно-фотоновым (или каскадным) ливнем. Хотя первичные частицы, приводящие к образованию этих ливней, и обладают огромными энергиями, но ливневые частицы являются «мягкими» - не проходят через большие толщи вещества. Таким образом, ливневые частицы -- электроны, позитроны и г-кванты - и представляют собой мягкий компонент вторичного космического излучения.

Каскады в атмосфере, вызываемые частицами больших энергий и занимающие обширные площади, получили название широких атмосферных ливней. Они были открыты французским физиком П. Оже и его сотрудниками в 1938 году. Высокоэнергичная космическая частица образует ливень с огромным числом вторичных частиц, так, например, частица с E=10¹⁶ эВ в результате взаимодействий с атомами воздуха вблизи поверхности Земли порождает примерно 10 млн вторичных частиц, распределенных на большой площади.

Хотя поток высокоэнергичных космических лучей, падающих на границу земной атмосферы, крайне мал, широкие атмосферные ливни занимают значительные площади и могут быть зарегистрированы с высокой эффективностью. Для этой цели на поверхности земли размещаются детекторы частиц на площади в десятки квадратных километров, причем регистрируются только те события, в которых срабатывает сразу несколько детекторов.

Исследование космического излучения, с одной стороны, позволило на начальном этапе развития физики элементарных частиц получить основные экспериментальные данные, на которых базировалась эта область науки, а с другой -- дало возможность и сейчас изучать процессы с частицами сверхвысоких энергий вплоть до 10²¹ эВ, которые еще не получены искусственным путем. С начала 50-х годов для исследования элементарных частиц стали применять ускорители (позволяют ускорить частицы до сотен гигаэлектрон-вольт), в связи с чем космическое излучение утратило свою исключительность при их изучении, оставаясь лишь основным «источником» частиц в области сверхвысоких энергий.

2.Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

Космические лучи, прежде чем достигнуть поверхности Земли, должны пройти земное магнитное поле (магнитосферу) и земную атмосферу. Магнитное поле Земли имеет сложную структуру. Внутренняя область магнитосферы с размерами в несколько радиусов Земли (R_зем=6378 км) имеет дипольную структуру. На стороне Земли, обращенной к Солнцу, на расстоянии ~10R_зем солнечный ветер и земное магнитное поле в результате взаимодействия образуют стоячую ударную волну. На этом расстоянии солнечный ветер обтекает магнитное поле, размыкая часть силовых линий на передней (освещенной) границе магнитного поля Земли, и переносит их на ночную сторону Земли, образуя хвост магнитосферы. Хвост магнитосферы, состоящий из разомкнутых силовых линий, простирается на расстояние в несколько сотен радиусов Земли (приложения; рисунок 1). Космические лучи, попадая в геомагнитосферу, движутся в ней сложным образом, так как на любую заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, равная F=(q/c)[vЧB], где q - заряд частицы, c - скорость света в вакууме, v - скорость частицы, а B - индукция магнитного поля. Зная F, можно определить траекторию частицы из уравнения

m(dv/dt)=(q/c)[vЧB],

где m - масса частицы. Так как B сложным образом зависит от координат точки наблюдения, то вычисление траектории движения частицы в магнитном поле Земли немыслимо без использования мощных вычислительных машин и соответствующего программного обеспечения и стало возможным только в наше время.

Движение заряженных частиц в поле магнитного диполя было рассмотрено шведским ученым С. Штермером. В магнитном поле движение частицы определяется ее магнитной жесткостью R=pc/q, где p - импульс частицы. Частицы, обладающие одинаковой жесткостью R, будут двигаться в одном и том же поле одинаково. Расчеты показали, что частица попадет в данную точку магнитосферы, если ее магнитная жесткость будет превосходить некоторую минимальную величину, называемую жесткостью геомагнитного обрезания R_min. Частицы, имеющие R<R_min, попасть в данную точку магнитосферы под данным углом не могут. Обычно величина R выражается в мега- или в гигавольтах: МВ или ГВ. В полярные районы геомагнитосферы, в районы магнитных полюсов проникают частицы с очень малыми значениями R. Однако по мере продвижения к геомагнитному экватору величина R_min существенно увеличивается и достигает значений ~15 ГВ. Таким образом, если измерять поток космических лучей, двигаясь от полюса к экватору, то его величина будет постепенно уменьшаться, так как магнитное поле Земли будет препятствовать их проникновению. Это явление получило название широтного хода космических лучей. Обнаружение широтного хода космических послужило доказательством того, что они являются заряженными частицами.

Свойство геомагнитосферы пропускать в данную точку космические лучи с жесткостью лишь выше R_min используется для наблюдений космических лучей в различных диапазонах энергий. Для этих целей стандартными приборами (нейтронными мониторами, кубическими телескопами, радиозондами и пр.) измеряют космические лучи в районах полярных, средних и экваториальных широт, имеющих различные значения R_min.

Вскоре после запусков первых искусственных спутников Земли в 1958 году американцем Дж. Ван Алленом и советскими учеными С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым были открыты внутренний и внешний радиационные пояса Земли. Радиационные пояса являются магнитными ловушками для заряженных частиц. Если частица попадает внутрь такой ловушки, то она захватывается и живет в ней довольно долго. Поэтому в радиационных поясах потоки захваченных частиц огромны по сравнению с потоками вне поясов. Внутренний пояс состоит в основном из протонов и находится на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли, если расстояние отсчитывать в экваториальной плоскости. Основным механизмом, который поставляет протоны во внутренний радиационный пояс, является механизм распада медленных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии космических лучей с ядрами элементов воздуха. Это нестабильные частицы. Часть нейтронов имеет достаточную скорость, чтобы уйти за пределы атмосферы (граница атмосферы расположена на высоте ~30-35 км), попасть в область геомагнитной ловушки и там распасться: n>p+e^-+н. Измерения и расчеты потоков нейтронов, идущих вверх из атмосферы Земли, показали, что этот источник является основным поставщиком протонов во внутренний радиационный пояс. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса (протоны с E>35 МэВ) зафиксирован на расстоянии примерно в 1,5R_зем.

Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов с энергией от нескольких сотен килоэлектронвольт до ~10 МэВ. Поток электронов во внешнем радиационном поясе Земли сильно меняется во время геомагнитных возмущений. Внешний радиационный пояс образуется из частиц ионизованной оболочки, располагающейся вокруг Земли, и электронов солнечного ветра. Во время геомагнитных возмущений малоэнергичные электроны ускоряются магнитогидродинамическими волнами, распространяющимися от границы магнитосферы к поверхности Земли .

Магнитосфера Земли не симметрична на дневной и ночной сторонах, поэтому области захвата частиц также различны. Это различие вызвано воздействием солнечного ветра на геомагнитосферу и особенно сказывается на ее внешних областях. Поэтому сильная асимметрия в расположении области захвата наблюдается для частиц внешнего радиационного пояса и в значительно меньшей степени для частиц внутреннего пояса.

В последнее время все большее внимание привлекает роль космических лучей в атмосферных процессах. Хотя плотность энергии космических лучей мала по сравнению с соответствующими величинами различных атмосферных процессов, в некоторых из них космические лучи играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км космические лучи являются главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. После вторжения в полярные области Земли больших потоков малоэнергичных частиц от солнечных вспышек наблюдается изменение температуры в верхних слоях атмосферы. Космические лучи активно участвуют в образовании грозового электричества. В настоящее время активно изучается влияние космических лучей на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.

3.Открытие мюонов в космических лучах. Их свойства

Космические лучи используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические частицы являются единственным средством изучения ядерных процессов.

Японский физик Х. Юкава (1907-1981), изучая природу ядерных сил и развивая идею об их обменном характере, выдвинул в 1935 году гипотезу о существовании частиц с массой, в 200-300 раз превышающую массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия.

К. Андерсон и С.Неддермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторичного космического излучения в свинцовых фильтрах с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, обнаружили в 1936 году частицы массой, близкой к ожидаемой (207m_e). Они были названы впоследствии мюонами. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит в основном из мюонов, которые образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц (р- и K-мезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью.

Существуют положительный (µ⁺) отрицательный (µ^-) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду e. Масса мюонов равна 206,8m_e, время жизни µ⁺ и µ^- мюонов одинаково и равно 2,2 * 10^-6 с. Исследования изменения интенсивности жесткого компонента вторичного космического излучения с высотой показали, что на меньших высотах потоки мюонов менее интенсивны. Это говорит о том, что мюоны претерпеваю самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами.

Спины мюонов, как и электронов, равны 1/2 (в единицах h), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (-1/2) взаимно компенсируются.

Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, являются ядерно-неактивными частицами. Мюоны, с одной стороны, из-за ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения с ядрами атомов атмосферы, а с другой - из-за нестабильности не могут находиться в составе первичного космического излучения. Следовательно, отождествить мюоны с частицами, которые согласно Х. Юкаве, являлись бы носителями ядерного взаимодействия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами. Эти рассуждения и накопленный впоследствии экспериментальный материал привели к выводу о том, что должны существовать какие-то ядерно-активные частицы, распад которых приводит к образованию мюонов. В 1947 году была обнаружена частица, обладающая свойствами, предсказанными Юкавой, которая распадается на мюон и нейтрино. Этой частицей оказался р-мезон.

4.Мезоны в космических лучах. Их свойства

С. Пауэлл (1903-1969; английский физик) с сотрудниками, подвергая на большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей(1947), обнаружили ядерно-активные частицы - так называемые р-мезоны. (от греч. «мезос» - средний), или пионы. В этом же году пионы были получены искусственно в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Be, C и Cu б-частицами, ускоренными в синхроциклотроне до 300 МэВ. р-Мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и обуславливают существование ядерных сил.

Существуют положительный (р⁺) и отрицательный (р^-) (их заряд равен элементарному заряду e) и нейтральный (р⁰) мезоны. Масса р⁺ и р^- мезонов одинакова и равна 273,1m_e, масса р⁰-мезона равна 264,1 m_e. Все пионы нестабильны: время жизни соответственно для заряженного и нейтрального р-мезонов составляет 2,6 * 10^-8 и 0,8*10^-16 с.

Спины заряженных р-мезонов по ряду экспериментальных данных оказались равны нулю. Спин р⁰-мезона равен нулю.

Исследования в космических лучах методом фотоэмульсий (1949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию K-мезонов, или каонов, - частиц с нулевым спином и с массами, приблизительно равными 970m_e. Существуют K⁺ , K^- два нейтральных каона. Время жизни K-мезонов лежит в пределах 10^-8 - 10^-10 с в зависимости от их типа.