Энергия космических лучей

Могут ли в космическом излучении существовать частицы произвольно высокой энергии, достигающие окрестностей Земли? Или же первоначальная энергия, полученная из источника, теряется в пути и в районе нашей планеты достигает определенного предельного максимального значения, которое не может быть превышено?

ОТВЕТ

Космическое излучение - это общий термин для обозначения потока элементарных частиц и атомных ядер, достигающих верхних слоев атмосферы Земли. Космические лучи состоят в основном из протонов. Частицы космических лучей, попадающие в атмосферу Земли, сталкиваясь там с атомными ядрами, создают каскады элементарных частиц, некоторые из которых достигают поверхности Земли. До сих пор наблюдались каскады с общей энергией 3×10²⁰ эВ. Если такой каскад был вызван протоном, то его энергия примерно в 100 000 раз превышает максимальную энергию, которую можно получить в действующих сегодня земных ускорителях. Пространство заполнено фотонами из микроволнового фонового излучения, которое является остатком Большого взрыва. Фоновое излучение имеет спектр черного тела, а его текущая температура составляет 2,725K. Когда высокоэнергетический протон сталкивается с фоновым фотоном, может произойти реакция фотопроизводства пионов:

gamma + p -> n + pi⁺ или gamma + p -> p + pi⁰

при котором протон теряет энергию. Если источники космического излучения находятся так далеко, что протон сталкивается с фоновыми фотонами во время своего полета от источника к Земле, в космическом излучении не должно быть протонов с энергией, превышающей минимальную энергию, необходимую для протекания этих реакций. Эта предельная энергия известна как энергия ГЗК по фамилиям физиков (Грейзен, Зацепин и Кузьмин), которые первыми обратили внимание на этот эффект. Эта предельная энергия составляет около 3×10²⁰эВ. Можно также подсчитать, что средний свободный путь протона с энергией 10²⁰ эВ до столкновения с фотонами фонового излучения составляет около 10 миллионов световых лет (напомним, что возраст Вселенной составляет около 14 миллиардов лет). Протоны с энергией более 10²⁰ эВ могут достичь верхних слоев атмосферы Земли только от возможных источников, расположенных на расстоянии не более 10 миллионов световых лет.