12. Мюоны и температура атмосферы
Сто лет назад Виктор Гесс открыл, что Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. Так называют потоки заряженных частиц, прилетающих к нам откуда-то сверху. Механизм их образования вкратце таков. Протон большой энергии, прилетевший из глубокого космоса, сталкивается высоко в атмосфере с ядром какого-то атома и порождает ливень вторичных адронов. В этом ливне есть осколки ядер, протоны, нейтроны, а также разнообразные нестабильные мезоны, в особенности самые легкие из них — пионы, которые распадаются на лету (рис. 1).
В космических лучах имеется также и много мюонов — тяжелых собратьев электронов. Мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они обычно не рождаются напрямую в первичном столкновении, а появляются в космических лучах при распадах заряженных пионов. Поскольку мюоны живут довольно долго (мы в этой задаче будем вообще их считать стабильными), они успевают долететь до Земли, где и регистрируются датчиками. Кроме того, они обладают очень большой проникающей способностью по сравнению с другими заряженными частицами. Если забраться под землю, хотя бы на глубину в несколько метров, то от космических лучей только мюоны да неуловимые нейтрино, собственно, и остаются.
Рис. 1. Первичные космические лучи, сталкиваясь с ядрами атомов высоко в атмосфере, порождают ливень вторичных частиц. В процессе развития этого ливня появляются и мюоны, которые становятся доминирующей компонентой космических лучей под землей
За прошедший век физики изучили свойства космических лучей и всех их компонент вдоль и поперек. Аккуратные измерения с помощью подземных детекторов показали, что поток мюонов не постоянен, а испытывает небольшие сезонные колебания. Более того, установлено даже, что он сильно коррелирует с температурой атмосферы. На первый взгляд такая связь может показаться парадоксальной. Поток первичных космических лучей от времени года не зависит — ведь они прилетают из космоса. Процессы рождения и распада элементарных частиц вообще относятся к микромиру. Тогда какое отношение к этому всему может иметь температура атмосферы? Тем не менее этот экспериментальный факт известен давно и регулярно подтверждается новыми детекторами.
Задача
Объясните, почему поток мюонов, порожденных космическими лучами в атмосфере, зависит от температуры атмосферы. Когда этот поток выше — зимой или летом?
