Земля піддається космічному бомбардуванню... Ні, це не цитата з фантастичного бойовика, а реальність - нашу планету постійно «обстрілюють» потоки заряджених частинок з глибокого космосу.
При зіткненнях з атомами газів у складі повітря космічні частинки запускають вітальні ланцюжки ядерних реакцій, які виробляють безліч вторинних продуктів. Протон з енергією в десятки і сотні ТЕВ, що влетів в атмосферу, дає початок іншим високоенергетичним частинкам, які розсіюються на навколишніх атомах і викликають до життя наступні покоління частинок. У результаті в повітряному басейні відбувається каскадне народження частинок, багато з яких виявляються нестабільними і швидко розпадаються. Так виникають багаточастичні атмосферні зливи, які вперше спостерігав Дмитро Скобельцин наприкінці 1920-х років.
Від краплі до злив
Площа випадання зливи і загальна кількість її «крапель» різко зростають у міру зростання енергії первинної частинки. Протон з енергією близько 1015 еВ народжує близько мільйона вторинних частинок, 1016 еВ - до десяти мільйонів, 1020 еВ - кілька мільярдів. Каскадні процеси такого масштабу, названі широкими атмосферними зливами, вперше спостерігав у 1938 році французький фізик П'єр Оже. Його ім'я має чинна з 2005 року велика міжнародна обсерваторія космічних променів, розташована на заході Аргентини.
Встановлений 2011 року на Міжнародній космічній станції детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) для вивчення космічних променів за 14 місяців роботи зареєстрував 18 млрд. частинок. Це більше, ніж число часток, зареєстрованих усіма наземними детекторами за більш ніж сто років.
Реєстрація широких злив - справа нелегка. На квадратний кілометр верхньої межі атмосфери в середньому щорічно падає одна частинка з енергією 1019 еВ, в той час як частинка з енергією 1020 еВ перетинає таку ж площу набагато рідше, ніж раз на століття. Тому для детектування злив, породжених такими частинками, будують установки велетенських розмірів. Так, головний комплекс Обсерваторії імені П'єра Оже складається з 1600 цистерн з надчистою водою і датчиками черенківського випромінювання, розкиданих на площі 3000 км осередків.
За формування зливи відповідають процеси двох типів - адронні та електромагнітні. Первинний протон стикається з атомним ядром і розбиває його на осколки. Якщо його енергія не перевищує декількох сотень МЕВ, цим все і закінчується, проте протони з енергіями в десятки і сотні ГЕВ викликають вже куди більш серйозні наслідки. Після першого зіткнення такий протон продовжує рух з меншою енергією (близько 30% початкової). Вході цієї зустрічі, як правило, народжуються заряджені і нейтральні піони, але можуть виникати і більш масивні частинки. Заряджений піон або стикається з ядром іншого атома і дає початок новим ядерним процесам, або не встигає цього зробити і розпадається на мюон того ж знака і мюонне нейтрино (є й інший канал розпаду, але його ймовірність дуже мала). Мюон, чий величезний за мірками елементарних частинок час життя вимірюється парою мікросекунд, рухається майже зі швидкістю світла і дуже слабо взаємодіє з атомними ядрами, трохи втрачаючи енергію тільки при проході через їх електронні оболонки. Тому він має чудові шанси дійти до земної поверхні і навіть проникнути глибоко під землю.
Зрештою мюони теж розпадаються, причому майже завжди на електрон або позитрон (залежно від їх знака) і пару нейтрино, мюонне та електронне. Нейтральний піон, який живе приблизно в сто мільйонів разів менше зарядженого, швидше за все, ні з чим не зіткнеться і перетвориться в атмосфері на пару фотонів гамма-випромінювання. Вони розсіюються на атомах і виробляють електронно-позитронні пари, причому позитрони швидко аннігілюють, даючи початок новим гамма-квантам. Так запускається електромагнітний зливовий каскад, що призводить до народження м'якої компоненти космічного випромінювання. Одночасно первинний протон, що нехай і віддав частину енергії, а також не встигли розпастися піони та інші нестабільні частинки продовжують стикатися з атомними ядрами, даючи початок все новим сильно взаємодіючим частинкам адронного каскаду. Протягом усіх цих перетворень виникають не тільки піони, але й інші адрони, такі як каони і гіперони.
Атмосфера під обстрілом
Космічні промені цілком реально впливають на земну атмосферу. Якщо протони просто розбивають ядра, що попалися ним, то їх більш масивні партнери можуть і самі дробитися на частини (наприклад, ядро магнію, що прилетіло з космосу, може розколотися на шість альфа-частинок). Дві такі реакції заслуговують на спеціальну згадку. Серед вторинних продуктів космічні промені породжують нейтрони, частина їх настільки сповільнюється при зіткненнях з атомами повітря, що зливається з ядрами атмосферного азоту. Таким шляхом на 15-кілометровій висоті виникають ядра нестабільного ізотопу вуглецю 14С з періодом напіврозпаду 5730 років. З "єднуючись з киснем, він утворює радіоактивний вуглекислий газ 14СО2, який нарівні зі звичайною вуглекислотою поглинається рослинами і бере участь у процесах фотосинтезу. Ця обставина лежить в основі методу радіовуглецевого датування, який широко застосовують у палеонтології та археології. За допомогою вуглецю - 14 і куди більш довгоживучого радіоактивного ізотопу берилію 10Be космічного походження можна навіть відновлювати історію коливань інтенсивності самих космічних променів на глибину до 200 000 років (цей напрямок досліджень називається експериментальною палеоастрономією).
Склад «Дощів»
За даними, опублікованими NASA в 2010 році, потоки космічних заряджених частинок на 98% складаються з баріонів і тільки на 2% зі стабільних лептонів (електронів і позитронів). Баріонна компонента, в свою чергу, містить протони (87%), альфа-частинки (12%) і ядра елементів важче гелію, які астрономи іменують металами (1%). Серед них перше місце займають вуглець, азот і кисень, за якими йдуть літій, берилій і бор. На цю шістку припадає близько 90% космічних «металів», так що на частку всіх інших залишається зовсім небагато. Приблизно чотири п'ятих частинок представлені елементами з атомними номерами від 9 до 25, що лежать в таблиці Менделєєва між киснем і залізом. Майже весь залишок захопило залізо, до якого примикають нікель і кобальт. Сумарна пропорція елементів важче кобальту вимірюється стотисячними частками відсотка. Але вони все ж зустрічаються - так, у первинних космічних променях виявлені ядра золота, ртуті, платини, свинцю і навіть урану. З іншого боку, там відсутні радіоактивні елементи з невеликим часом життя.
Атмосферні зливи можуть ініціювати і ультрарелятивістські електрони, що приходять з космосу. Однак вони випадають нечасто, оскільки щільність таких електронів дуже мала. У космосі вони виникають в достатку, проте швидко гальмуються, розсіюючись на фотонах і випромінюючи електромагнітні хвилі при проходженні через магнітні поля. Тому електрони з енергіями близько 1000 ГЕВ приходять до Землі тільки від досить близьких джерел, відстані до яких не перевищують 3000 світлових років. Космічні протони високих енергій покривають незмірно великі дистанції.