WIDMO ENERGETYCZNE

  Obserwowane poza atmosferą Ziemi promienie kosmiczne mają bardzo szeroki zakres energii. Widmo energii promieni kosmicznych rozciąga się na wiele rzędów wielkości, od energii nierelatywistycznych (ok. 107 eV), do do energii powyżej 1020 eV, czyli 100 000 000 000 000 000 000 elektronowoltów. Jest to energia 100 milionów razy większa, niż energie osiągane w najpotężniejszym akceleratorze cząstek na Ziemi. Całkowity strumień cząstek promieniowania kosmicznego padający na górne warstwy atmosfery Ziemi jest rzędu 1000 cząstek/m2 w ciągu sekundy. Ze wzrostem energii liczba cząstek mających energie wyższe niż zadana szybko maleje i przy energiach powyżej 1020 eV wynosi zaledwie 1 cząstka/km2 w ciągu stulecia. Do tej pory w kilku różnych eksperymentach udało się zarejestrować łącznie kilkanaście przypadków promieni kosmicznych o energiach powyżej 1020 eV. Cząstkami o tych skrajnie wysokich energiach zajmiemy się osobno w następnym rozdziale

  Rozkład energii cząstek promieniowania kosmicznego, czyli tzw. widmo energetyczne.


  Aby lepiej uwidocznić szczegóły kształtu widma, często mnoży się je przez czynnik zależny od energii, najczęściej jest to E2.5 lub E2.75. Powoduje to "wyprostowanie" wykresu, dzięki czemu lepiej widać jego strukturę. Takie przeskalowane widmo energetyczne przedstawione jest na rysunku poniżej. Wyjaśnienie przyczyn tego załamania jest jednym z głównych zagadnień fizyki promieni kosmicznych.

  Przeskalowane widmo promieniowania kosmicznego.

  Wyraźnie widać na nim dwa różne nachylenia widma (czyli dwa różne wykładniki zależności potęgowej E-g: w zakresie energii poniżej 1015 eV mamy g = około 2.7 oraz dla 1016 -1019 eV g = około 3.1) i "załamanie" przy energii 1015 -1016 eV.

  W rezultacie modulacji słonecznej (wpływ pola magnetycznego i wiatru słonecznego) obserwuje się spadek natężenia promieni kosmicznych przy bardzo niskich energiach (10-100 MeV/nukleon). Efekt ten jest widoczny na pierwszym rysunku jako "wypłaszczenie " widma na początku zakresu energii (E = około 109 eV).

  Rysunek następny przedstawia widma energetyczne indywidualnych jąder - cząstek promieni kosmicznych. Dane pokazane są w zakresie energii poniżej 1014 eV. Widać maksimum natężenia przy energii około 109 eV/nukleon. Ze wzrostem energii obserwuje się monotoniczny spadek natężenia z potęgową zależnością od energii I ~ E -g. Dla innych jąder potęgowy spadek widma ma ten sam wykładnik równy g = około 2.7. Natężenia widm szybko spadają ze wzrostem masy jąder promieni kosmicznych.

  Widma energetyczne indywidualnych jąder