Жер атмосферасындағы ғарыштық сәулелердің энергетикалық таралуы

Бұл мақалада жер атмосферасындағы ғарыштық сәулелердің энергетикалық және бұрыштық таралуы қарастырылған.

Кілтті сөздер : галактикалық ғарыштық сәуле, мюон, фотон, электрон, позитрон, протон.

В этой статье рассматривается энергетическое и угловое распределение космических лучей в атмосфере Земли.

Ключевые слова : галактическое космическое излучение, мюон, фотон, электрон, позитрон, протон.

Ғарыштық сәулелер физикасы — қазіргі физиканың қарқынды дамып келе жатқан саласы. Қазіргі астрофизиканың маңызды және өзекті мәселелерінің бірі — жоғары және ультра жоғары энергиялардың ғарыштық сәулелерін жеделдету көздері мен механизмдерінің проблемасы-энергия спектрі эВ-ге дейін созылатын зарядталған бөлшектердің (протондар мен ядролардың) ағыны.

Ғарыштық сәулелер: әрекеттесуге келетін, ғарыштық сәулелерді үдететін процестер; ғарыштық сәулелердің бөлшегі мен табиғаттағы құрамы; Жер атмосферасы, ғарыштық кеңістік және планеталарда ғарыштық сәулелердің пайда болуы. Жер атмосферасына келетін белсенділігі жоғары зарядталған, нейтралды ғарыштық бөлшектердің ағынын ұғыну негізігі эксперименталды тапсырма [1].

Ғарыштық cәулелер — Жер бетіне Ғалам кеңістігінен келетін жоғары энергиялы тұрақты бөлшектер ағыны, осы бөлшектердің атмосферадағы атом ядроларымен өзара әсерлесу нәтижесінде пайда болған екінші реттік сәулелер [3].

Жер атмосферасындағы галактикалық ғарыштық сәулелер протондарының өтуін есептеу GREANT4 ғылыми бағдарламалық кешеніне және NRLMSISE00 Жер атмосферасының модельдеріне негізделген PLANETОCOSMICS бағдарламалық коды арқылы жүзеге асырылады [1–3]. алынған нәтижелер GEANT 4 базасындағы PLANETOCOSMICS комплексті программасында есептегенде Монте — Карло әдісі қолданылды. GEANT 4 базасында PLANETOCOSMICS комплексті программада Монте — Карло әдісімен жоғарғы энергияда соқтығысқандағы протондар, нейтрондар, мезондар, электрондар, гамма — кванттары мен нейтриноны есептеу ұсынылды. Осы жұмыста PLANETОCOSMICS/ Greant4 бағдарламасында иондану, бөлшектердің бірнеше рет шашырауы, тежегіш сәулеленуі, жұп түзілуі, фотоэффект, Комптон эффектісі, серпімді және серпімді емес ядролық әрекеттесу және бөлшектердің ыдырау процестерін пайдаланудың заңдылығы көрсетіледі [4–5].

Кейін атмосфераның әр деңгейіне E > 70 МэВ энергиядағы мюон ағыны есептелінді. Сонымен қатар галактикалық ғарыштық сәулелердің құрамына кіретін мюон, галактикалық ғарыштық сәуледен туындайтын протон, гелий ядросы ескерілді [4]. Осы есептеулер атмосфераның R _C әр түрлі мәнінде мюондардың қисық жұтылуы қанағаттандырды.

Есептеулерде атмосфераның шекарасына түсетін галактикалық ғарыштық сәулелер протондарының дифференциалды энергетикалық спектрі күн белсенділігінің минимумында түрінде берілген [2].

Мұндағы, Е-протонның кинетикалық энергиясы, D=16, B=8, , C=1.1.

Энергия диапазоны 500–106 МэВ құрайды. Есептеулерде стандартты атмосфералық модель қолданылады, ал есептеулер диапазондағы қалдық атмосфераның 28 деңгейіне арналған.

Бұл жұмыста бөлшектердің энергетикалық және бұрыштық таралуы есептелген — атмосферадағы бастапқы протондардың өту процесінде пайда болған протондар, электрондар, позитрондар, фотондар мен миондар.

Сурет 1. деңгейдегі екінші бөлшектердің (электрондар, позитрондар, протондар, мюондар, фотондар) дифференциалды энергетикалық спектрлері

Дифференциалды энергия спектрі интегралмен салыстырғанда ғарыштық сәулелердің энергетикалық таралуының нәзік бөлшектерін анықтауға мүмкіндік береді [1].

Сурет 2. Дифференциалды энергетикалық спектрлер (а) және бұрыштық үлестірулер (б) әр түрлі деңгейдегі қайталама бөлшектердің (протондары)

2-суретте әртүрлі деңгейлердегі қайталама протондардың энергетикалық және бұрыштық таралуы көрсетілген. Монте-Карло әдісін қолдана отырып, күн белсенділігінің минимумы үшін Жер атмосферасындағы ғарыштық сәулелер ағындары есептелді. Бұл жағдайда GEANT-4 негізіндегі PLANETOCOSMICS бағдарламалық кешені пайдаланылды.

Есептеулерде Жер атмосферасын сипаттау үшін атмосфералық қысымның 28 деңгейі берілген NRLMSISE00 моделі таңдалды. Олардың әрқайсысы үшін екінші протондардың, муондардың, электрондардың, позитрондардың, гамма кванттардың, пиондардың және нейтрондардың бұрыштық және энергетикалық сипаттамалары есептелді.

Әдебиет:

1. Agostinelli S., Allison J., et.al. Geant4-a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2003. — № 506(3). — P. 250–303.
2. Desorgher L., Flȕckiger E. O., Moser M. R., Bütikofer R. Geant4 simulation of the propagation of cosmic rays through the Earth's atmosphere // Proc. 28 ^th ICRC. — Tsukuba, 2003. — P. 4277–4280.
3. Desorgher L., Flȕckiger E. O., Gurtren M., Moser M. R., Bütikofer R. Atmocosmics: A Geant 4 code for computing the interaction of cosmic rays with the earth’s atmosphere // International Journal of Modern Physics A. Particles and Fields; Gravitation; Cosmology. — 2005. — № 29. — P. 6802–6804.
4. Makhmutov V. S., Bazilevskaya G. A., Desorgher L., Flȕckiger E.O Precipitating electron events in October 2003 as observed in the polar atmosphere // Advances in Space Research. — 2006. № 38(8). — P. 1642–1646.
5. Makhmutov V. S., Desorgher L., Bazilevskaya G. A., Flückiger E., Raulin J.-P. Evaluation of solar proton spectra using balloon cosmic ray observations and Monte Carlo simulation results // Advances in Space Research. — 2007. — № 39(9). — P. 1458–1461.