Файл: Иноземцев, Г. Г. Незатылованные шлицевые червячные фрезы-1.pdf

ском спектре космических лучей. Это свойство—наличие максимума в спектре при определенном Ev — позволяет однозначно судить о происхождении у-квантов. Указанное свойство давно [21] исследо­ вано в физике элементарных частиц, а его значение для астрофизики отмечалось в работах [19, 22].

Последующие соображения базируются на допущении, что ос­

Это допущение оправдано, если у-кванты подобных энергий не обусловлены электромагнитным взаимодействием электронов. Дей­ ствительно, если спектр фотонов формируется при распаде адронов, то канал (3.19) является основным. Хотя можно привести примеры появления у-квантов при распаде иных адронов, кроме я°-мезонов (например, 2° -»-Л + у), однако сечения подобных процессов более чем на порядок меньше сечения появления нейтральных пионов.

Реакция (3.19) имеет важное свойство — ее продукты (два фото­ на) — частицы с нулевой массой покоя.

Вначале рассмотрим случай, когда источники фотонов находятся достаточно близко для того, чтобы можно было пренебречь красным смещением (z <^ 1). Назовем систему координат, связанную с источ­ ником, Л-системой. Пусть спектр я°-мезонов в Л-системе имеет про­

Рассмотрим вначале процесс распада я 0 —>- 2у в системе коорди­ нат, связанной с пионом (Ц-система). Из законов сохранения энер­ гии импульса следует, что в этой системе импульсы обоих квантов равны по абсолютной величине и направлены в противоположные стороны. Это означает, что

Пусть в Л-системе энергия пионов равна Ел. Тогда в Л-системе наибольшую энергию £ " а к с имеют фотоны, которые движутся по направлению движения пиона, а наименьшую £ " и н — те, которые летят в противоположном направлении. Из преобразований Лорен­ ца следует, что

гдеу„ — скорость пиона в Л-системе. Чтобы убедиться в этом, вспом­ ним формулу преобразования энергий при переходе от одной (Л) системы к другой (Ц).

Пусть в Ц-системе фотон с энергией Еу движется под углом 0* к вектору скорости пиона в Л-системе. Тогда при преобразованиях

118

Лоренца энергии фотонов изменяются согласно закону

Найдем теперь энергетическое распределение (в Л-системе) фотонов, образующихся при распаде л,°-мезонов. Заметим, что в Ц- системе нет выделенного направле­ ния, поэтому здесь угловое распре­ деление Ф (8*) фотонов изотропно, т. е.

Ф (8*)d8* = (1/2) sin Q*dQ*. (3.23)

Для того чтобы вычислить энергетическое распределение ср (Еу) фо­ тонов в Л-системе*, воспользуемся тем, что соотношение (3.22) устанавливает однозначную связь между углом 6* и энергией Еу : 8* = 0 (Еч). Тогда

Если имеется некоторое распределение пионов Ря (Е„), то спектр образующихся фотонов можно представить суммой прямоугольни­ ков, в каждом из которых только одна энергия Еут = тлс2/2 будет представлена обязательно (рис. 27). Все прочие значения Еу могут либо присутствовать, либо отсутствовать. Поэтому спектр фотонов при этом значении энергии имеет наибольшее значение.

На рис. 28 показаны спектры у-квантов, вычисленные при раз­ личных способах экстраполяции спектра космических лучей. Хотя они и различаются при малых значениях Еч, все они обладают дву-

Угловое распределение фотонов в Л-системе см. в работах [1,21].

119

мя общими свойствами: максимумом при Еут и одним и тем же наклоном спектра при Еу > Еут.

Для удобства вычислений кривую 3 (см. рис. 28) можно аппрок­ симировать выражением

где Еу — энергия в Гэв, которое с 10%-ной погрешностью представ­ ляет экспериментальный спектр в области Еу > 0,01 Г эв.

Опираясь на соображения, аналогичные использованным при выводе соотношения (3.16), легко выразить интенсивность фотонов

модействий следует, что в среднем при больших энергиях в каждом

нов соответственно **. Учтем, кроме того, что я°-мезон распадает­

Подчеркнем, что здесь идет речь о спектрах частиц, непосредст­ венно образованных при распаде пионов или мюонов (а не в резуль­ тате вторичных каскадных процессов), и притом в области высоких энергий.

На рис. 29 показан спектр у-квантов, вычисленный на основе модельных представлений (наиболее быстрый пион возникает при распаде изобары, а все остальные — при распаде файербола) [23].

Теперь рассмотрим случай, когда источник фотонов расположен на расстоянии 1. Используя соотношения (1.30) и (1.31) для зависимости частоты (или энергии) от красного смещения, получаем

Обнаружение в спектре внегалактического источника космического излучения максимума с энергией (3.30) свидетельствовало бы в поль-

*Независимости величины ядерных сил, действующих между двумя адронами, от величины их электрического заряда .

**Отсюда следует, что среднее число заряженных частиц

120

зу пионного механизма генерации фотонов и дало бы уникальную возможность определить расстояние до источника.

Действительно, любая цепь превращений элементарных частиц, которая вначале определяется сильным взаимодействием, будет не­ избежно обусловливать в конечном счете доминирующую роль рас­ пада я0 -мезонов в появлении фото­ нов значительных энергий.

Другой канал появления таких фотонов — это ускорение электро­ нов и последующая генерация ими излучения. Однако в гл. 2 (см. также гл.4) показано, что если спектр электронов в источниках имеет степенную форму, то в про­ цессе движения электронов дефор­ мация спектра не приводит к появ­ лению максимума. Следовательно, в этом случае спектр излучения

также не будет иметь максимума. Рис. 29. Дифференциальный энер­

Введение. В предыдущем разделе отмечалось, что электромагнит­ ные взаимодействия адронов характеризуются постоянной тонкой структуры а, которая на два порядка меньше константы сильного взаимодействия g2l Йс~~ 1. Поэтому электромагнитными взаимодей­ ствиями адронов с адронами всегда можно пренебречь по сравнению с сильными взаимодействиями. Тем не менее электромагнитные вза­ имодействия адронов играют определяющую роль в некоторых про­ цессах астрофизики высоких энергий. В первую очередь это относит­ ся к взаимодействию адронов с электромагнитным излучением: взаимодействие адронов с веществом рассматривается в § 3.3.

В космических условиях концентрация фотонов нередко пре­ вышает концентрацию газовой компоненты. Например, в межгалак-

121