Mavzu: Elementar zarralarning manbalari: Kosmik nurlar. Mundarija: kirish I bob. Elementar zarralarning manbalari

2.1 Koinotni yoshi, o’lchami va kosmik nurlar.

Kosmik nurlar - Yerga Koinotdan izotrop tushib turadigan yuqori energiyali (taxminan 1 dan 1012 GeV gacha) barqaror zarralar oqimi (birlamchi nurlar), shuningdek, bu zarralarning atmosferadagi atom yadrolari bilan o’zaro ta’siridan paydo bo’ladigan nurlar (ikkilamchi nurlar); ma’lum bo’lgan barcha elementar zarralarni o’z ichiga oladi. Yer sirtiga faqat ikkilamchi Kosmik nurlargina yetib keladi. Birlamchi kosmik nurlar tarkibi proton va geliy yadrosi (-70%) hamda har xil yadrolardan, shuningdek, qisman elektronlar (-1%), pozitronlar va gamma-kvantlar (-0,01%) dan iborat. Kosmik nurlar oqimi uncha katta bo’lmay, u atmosfera chegarasida -2 zarracha sm ~2-s~’ ni tashqil qiladi. Ammo Kosmik nurlar oэta yuqori energiyali zarralarning tabiiy manbai hisoblanadi. Energiya Ye ortishi bilan ularning jadalligi 1-Ye ~u = £-0.7*2,2) qonun bo’yicha tez kamayadi. Birlamchi Kosmik nurlarning ko’pchiligi Yerga Galaktikadan (Galaktik Kosmik nurlar), ularning Quyosh faolligi bilan bogʻliq bo’lgan oz qismi, asosan, kichik energiyalilari Quyoshdan (Quyosh Kosmik nurlari) keladi; 108 GeV dan yuqori energiyali Kosmik nurlar Metagalaktikadan kelsa kerak. Quyosh faolligi ortgan davrda Kosmik nurlarning jadalligi eng kichik qiymatga ega bo’ladi va, aksincha, quyoshda qisqa muddatli xromosfera chaqnashi davrida yerga tushayotgan quyosh kosmik nurlari oqimi o’zining o’rtacha qiymatidan ming marta ko’payib ketishi mumkin. Kosmik nurlarning xususiyatlaridan foydalanib, yadro fizika va astrofizikada keng ko’lamda tajriba ishlari olib borilmoqda. Birlamchi kosmik nurlar atmosferaga,kirganda undagi atom yadrolari bilan ta’sirlashadi, bu esa ko’plab zarralar hosil bo’lish jarayoniga va elektromagnit kaskad rivojlanishiga olib keladi. Elementar zarralarning ko’p turlari (pozitronlar, myuonlar, K-mezonlar, A-giperonlar), ularning parchalanishi, o’zaro ta’sirlashishi kosmik nurlar yordamida kashf etilgan. Yangi jarayon — yadro elektromagnit kaskad sellari kosmik nurlarda aniqlandi. Bu jarayon — moddada paydo bo’lgan zarralarning yadroviy va elektromagnit ketma-ket ta’siri natijasida hosil bo’ladi. Yuqori va o’ta yuqori energiyalar sohasida yadrolarning ta’sirlashishida bir qator tafsilotlar topildi: Ye ning ortishi bilan o’zaro ta’sir kesimi logarifmik ravishda ortadi, hosil bo’lgan zarralarning ko’ndalang impulsining o’rtacha qiymati /^-0,4 GeV/s bo’lib, u energiyaning o’zgarishiga bog’liq emas. To’qnashayotgan zarralar o’zaro ta’sirdan keyin energiyasining yarminigina saqlaydi.

Hozirgi paytda elementar zarralarning xossalari va ularning o’zaro ta’siri yuqori energiyali tezlatkichlar yordamida to’la o’rganilayotgan bo’lsada, lekin o’ta yuqori energiya sohasida (£"0>1015 eV) Kosmik nurlar yordamida o’rganish bu zarralarning xossalarini o’rganishning yagona manbai bo’lib qolmoqda. Keyingi yillarda kosmik nurlar tadqiqotlarining astrofizik yo’nalishiga, jumladan, kosmik nurlar ning hosil bo’lish muammolarini, manbalarda yuqrri energiyali tezlanish olishlarini, tarqalishini va yulduzlararo muhitdan o’tishini o’rganishga qiziqish ortmoqda. Buning asosida yangi rivojlanayotgan izlanishlar: gamma va neytrinoga oid astronomiya sohasidagi tadqiqotlar jadal sur’atda rivojlanmoqda. Gamma va neytrino nurlanishlarining yuqori o’tish qobiliyatiga ega ekanligi tufayli, noyob ob’yektlar, ya’ni o’ta yangi yulduzlar, pulsarlar, lokal gamma nurlanish manbalari haqida yangi ma’lumotlar olinmoqda.

Yer sun’iy yo’ldoshlari va yerdagi qurilmalarda joylashgan gamma-teleskoplar yordamida atmosferadagi ko’plab elektronlarning (birlamchi gammakvantlar tufayli atmosferada elektromagnit kaskad jarayonini ko’payishidan hosil bo’lgan) Cherenkov nurlanishi qayd etilib, lokal gamma manbalar, Galaktikadagina emas, balki Metagalaktikaning chegarasidan uzoqda (faol yadroli Galaktika — Markaryan-421 va 501) topildi.

O’ta yangi yulduzlarning portlashidan keyin hosil bo’luvchi pulsarlar (tez aylanuvchi neytron yulduzlar) Kosmik nurlar ning ehtimolli manbalari bo’lib hisoblanadi. Pulsarning elektromagnit maydonida hamda galaktikaning yulduzlararo magnit maydonlarida zaryadlangan zarralar tezlanish olishlari mumkin. Zaryadlangan zarralarning harakati diffuziya harakteriga ega bo’lganligi, o’z navbatida, yerga tushayotgan zarralar oqimining izotropligini tushuntiradi.

Kosmik nurlar ni tadqiq etish elementar zarralar fizikasi, yuqori energiyalar astrofizikasi va fizikaviy tajriba texnikasi rivojlanishida muhim o’rin egallaydi. Mas, kosmik tajribalarda yaratilgan moslashtiruvchi qurilma hisoblash texnikasida ishlatiladi. Bu tadqiqotlar hozirgi paytda tezlatkichlarda olib bo’lmaydigan energiyadagi zarralarning o’zaro ta’siri to’g’risida va koinotdagi kosmik ob’yektlarning strukturaviy o’zgarishlari va katta energiya ajralish jarayonini o’rganishda o’z rolini saqlamoqda.

Kosmik nurlar. 1912- yilda Yer sirtidagi havo qatlamining ionlashuvi o’rgangan avstriyalik fizik V.F.Gess qiziq natijaga duch keldi. Uning fikriga ko’ra, havoning ionlashuvini asosan Yerdan chiqayotgan radioaktiv nurlar vujudga keltirishi va shuning uchun ham yuqoriga ko’tarilgan sari havoning ionlashuvi kamayishi kerak edi. Ammo tajriba natijasiga ko’ra 5000 m balandlikdagi havoning ionlashish darajasi Yer sirtinikidan 3 marta katta bo’lib chiqdi.Ushbu holni tahlil qilgan olimlar, havoning ionlashuvini faqatgina Yerning radioaktivligi emas, balki koinotdan va Quyoshdan kelayotgan nurlar ham vujudga keltiriladi, degan xulosaga kelishdi. Bu nurlarga kosmik nurlar deb nom berildi.Tajribalarning ko’rsatishicha, kosmik nurlarning intensivligi yuqoriga ko’tarilgan sari tez ortadi va o’zining maksimal qiymatiga erishgach, yana kamaya. Taxminan 50 km balanlikdan boshlab intensivlik qariyb o’zgarmay qoladi. Kosmik nurlar birlamchi va ikkilamchi kosmiknurlarga ajratiladi.Birlamchi kosmik nurlar. Bevosita kosmosdan keladigan nurlar birlamchi kosmik nurlar deyiladi. Tarkiini o’rganish, birlamchi kosmik nurlar yuqori energiyali elementar zarralar oqimidan iborat ekanligini ko’rsatadi. Uning to’qson foizidan ko’prog’ini protonlar, taxminan yeti foizini α- zarralr, bir foiz atrofidagisini og’irroq atomlarning (Z>20) yadrolari tashkil qiladi. Birlamchi kosmik nurlarning asosiy qismi galaktikadan keluvchi, energiyasi 1021 eV gacha bo’lgan nurlar hisoblanib, ular o’zining shu qadar katta energiyasini yulduzlararo magnit maydonlar bilan to’qnashish natijasida oladi.Shuni ham takidlash lozimki, kosmik nurlarning intensivligi vaqt davomida o’zgarib turadi. Bu Quyosh aktivligining o’zgarishiga bog’liq bo’ladi. Quyoshda chaqnash ro’y bergab paytlarda kosmik nurlarning intensivligi o’nlab va hatto yuzlab foizgacha o’zgarib ketishi mumkin. Bu esa kosmik nurlarning ma’lum bir qismi Quyoshda hosil bo’lishini ko’rsatadi. Birlamchi kosmik nurlar Yer sirtidan 50 km balandliklargacha yetib keladi va shuning uchun ham h ≥ 50 km da kosmik nurlarning intensivligi o’zgarmas bo’ladi. . R. E. Milliken, rus olimlari D. V. Skobelsin, S. N. Vernov, fransuz fizigi P. Oje va boshqa ularni tadqiq qilishda ulkan hissa qo’shgan.

Ikkilamchi kosmik nurlar. Atmoisferaning yuqori qatlamlarigacha yetib kelgan birlamchi kosmik nurlar u yerdagi atom yadrolari bilan to’qnashib ikkilamchi kosmik nurlarni vujudga keltiradi. Yigirma kilometrdan pastda kosmik nurlarning asosiy qismi ikkilamchi nurlardan iborat bo’ladi. Balandlik kamayishi bilan nurlarning intensivligi ham kamaya boradi. Ikkilamchi kosmik nurlar tarkibiga qarab ikkita: yumshoq va qattiq tashkil etuvchilarga ajratiladi.Yumshoq tashkil etuvchilar. Qo’rg’oshin kuchli yutiladigan nurlar ikkilamchi kosmik nurlarning yumshoq tashkil etuvchisi bo’ladi. Ular quyidagicha vujudga keladi. Kosmik nurlar tarkibidagi E > 2mec2 energiyali γ- kvantlar atom yadrosining maydoniga tormozlanadi va elektron-pozitron juftligiga aylanadi. Hosil bo’lgan elektron va pozitronlar ham, o’z navbatida, tormozlanib, γ- kvantni vujudga keltiradi. Energiyasi E > 2mec2 dan katta bo’lgan bu γ- kvantlar ham, o’z navbatida, yangi elektoron-pozitron juftligiga aylanadi. Bu jarayon γ- kvantning energiyasi E > 2mec2 dan kichik bo’lgunicha davom etadi. Unga elektron- pozitron- foton jalasi deyiladi. Garchi jalani vujudga keltiradigan birlamchi zarra katta energiyaga ega bo’lsada, jala zarralari “yumshoq” bo’lib, uncha qalin boi’lmagan moddadan ham o’tolmaydi. Shunday qilib, ikkilamchi kosmik nurlarning yumshoq tashkil etuvchilari elektron, pozitron va γ- kvantlardan iborat bo’ladi.Qattiq tashkil etuvchilar. Ular qo’rg’ishinga katta singish qobiliyatiga ega. 1938- yilda K.Anderson va S.Niddermeyer qattiq tashkil etuvchilarning massalari 207me va yashash davrlari 2,2·10-6 s bo’lgan musbat va manfiy zaryadlangan zarralar oqimidan iborat ekanligini aniqlashdi. Bu zarralarga myuonlar (μ+, μ-) deb nom berishdi. 1947- yilda S.Pauell birlamchi kosmik nurlarning atom yadrolari bilan to’qnashuvlari natijasida 273 me massali, oldin no’malum bo’lgan zaryadlangan zarralar paydo bo’lishi aniqladi. Ularning erkin holatdagi yashash davri 1,8·10-16 s dan kichik bo’lmagan neytral π- mezon kashf qilindi. Poinlar nuklonlar bilan jadal ta’sirlashadigan zarralar hisoblanadi.Umuman olganda, bu zarralarning mavjudligini yadro kuchlarinig tabiatini tushunturgan X.Yukava bashorat qilgan edi. Yuqorida aytilganidek, ular juda kichik yashash davriga ega bilib, quyidagi sxema bo’yicha parchalanadi:

π+ → μ+ + ν,

π- → μ- + ν

va kosmik nurlarning qattiq tashkil etuvchiligi zarralarni hosil qiladi. Poinlardan farqli ravishda, myuonlar yadro ta’sirlashuvlarida ishtirok etmaydi va o’z energiyasini ionlashtirishga srflaydi.Yerning radiatson belbog’i. zaryadlangan Yer atrofidagi taqsimoti haqidagi dastlabki ma’lumolar Yerning sun’iy yo’ldoshlari yordamida olingan. Yer atrofidagi fazoda yerning magnit ta’sirida vujudga kelgan shunday belbog’ mavjudki, undagi zaryadlangan zarralarning zichligidan yuz milionlab marta kattadir.

Kosmik nurlar fizikasida keng atmosfera yog’dusini qayd qilish metodidan tashqari, kosmik nurlarning intensivligini vaqtli variasiyalarini qayd qilish metodidan ham keng foydalanadilar. Aniqlanishicha kosmik nurlarning intensivligi vaqt o’tishi bilan o’zgarib turadi va bunga kosmik nurlarning vaqtli variasiyalari deyiladi. Kosmik nurlarning vaqtli variasiyalari kosmik obyektlar, Quyosh, yulduzlar va boshqa jismlar hamda kosmik fazoda vujudga keluvchi jarayonlar natijasida vujudga keladi. Shuning uchun kosmik nurlar variasiyalaridan kosmik jarayonlar zondi sifatida keng foydalanish mumkindir. Sayyoralararo fazoga kosmik apparatlarni uchirishdan ancha oldinroq, kosmik nurlar intensivligining variasiyalarini o’rganish Quyoshdan turli tomonga uzluksiz ravishda korpuskulyar oqim chiqayotganligini, ya’ni quyosh shamoli mavjudligini

ko’rsatib, fazodagi magnit maydonlar birjinslimaslarini masshtabini baholash imkonini berdi.

Hozirgi paytda Yer yuzida qayd qilingan kosmik nurlar intensivligi variasiyalarining eksperimental natijalariga ko’ra, birlamchi kosmik nurlar variasiyalarini, undan foydalanib koinot jarayonlarini o’rganish buyicha matematik metodlar ishlab chiqilgandir. Olingan eksperimental natijalarga ko’ra, astrofizik masalalar, muvaffaqiyat bilan yechilmoqda.

Oxirgi yillarda yangi yo’nalish kosmik nurlarning astrofizika yo’nalishi

paydo bo’ldi. Kosmik radioto’lqinlar, radioteleskoplar yordamida bu soxa dunyoning ko’p laboratoriyalarida muvaffaqiyat bilan o’rganilmoqda. Rentgen va γ- nurlanishlar ko’p hollarda kosmik zarralarning elektronlari, protonlari va yadrolari tomonidan hosil qilinadi. Shuning uchun biz kosmik zarralarni, uzoqda bizning galaktikamizdan tashqarida o’rganish imkoniga ega bo’lamiz.

Kosmik nurlar fizikasi fanini boshqa fanlar va texnika uchun qiymatini ham qayd qilish kerak. Asosan kosmik uchishlar muammolarida, yuqori energiyali astrofizikada, yuqori energiyali zarralarni o’zaro ta’siri xususiyatlarini o’rganishda foydalanilmoqda. Arxeologiyada ishlatiladigan ba’zi metodlar kosmik zarralarni fizikasi bilan bog’liq, kosmik zarralardan foydalanib, atmosferaning turli balandliklaridagi temperatura o’rganilayapti va hokazolar.

Kosmik nurlar bilan bog’liq bo’lgan jarayonlar kosmik fazoning nisbatan keng, katta qismida o’tadi. Astronomik kuzatishlar natijalariga ko’ra kosmik obyektlarning yoshi taxminan 10 milliard yilga tengdir. Shuning uchun biz radiusi 10¹⁰ yorug’lik yiliga teng bo’lgan sferani

tassavvur etsak, u holda biz kosmik fazoni shunday sohasini topamizki, bizga undan kosmik signal kelib yotibdi. Bu soha o’lchami C*10 ¹⁰ yil-3,2nc-sm ga tengdir (1Pc=3,09*10 ^{18 ,}sm, c– yorug’lik tezligi). Koinotni kosmik nurlar yordamida o’rganiluvchi qismiga Metagalaktika deyiladi.

Kosmik muhit, yulduzlar muhiti, yulduzsimon obyektlarning muhiti, kosmik fazodagi gaz va changlardan hamda kosmik zarralardan tashkil topgandir. Bundan tashqari kosmik fazo elektromagnit maydonlar bilan to’ldirilgandir, shuning uchun kosmik zarralar manbadan chiqib bizga yetib kelguncha bunday maydonlar va muhitlar bilan to’qnashuvda bo’ladi. Kosmik fazoda muhit notekis taqsimlangan. Yulduzlar turli galaktikalarga ajratilgandir, o’lchami bo’lgan fazoda qarib 10 ²⁶ sm bo’lgan fazoda qarib 10⁴ –ta galaktika mavjuddir.Galaktikalar orasidagi o;rtacha masofa l~10²⁵ sm ga tengdir.

Galaktikalar turlicha bo’lib, ular turlicha shaklga egadirlar. Bizning galaktikamiz somon yo’li, spiral shakliga ega bo’lib, unga yaqin bo’lgan qo’shni galaktikalar, Andromeda tumanligi, katta va kichik Magelan tumanliklari va hokazalar bilan shu yerli galaktikalar to’dasini tashkil qiladi. Bu to’daga yana 20- ga yaqin galaktikalar kiradi.

Koinotni birinchi modeli, fazo va vaqtda stasionar modeli edi. Rus olimi Fridmanning 1922 yilda ko’rsatishicha, koinot stasionar bo’lmasdan, u hozirgi vaqtda kengayib borayapti. Koinotni nostasionar modelidan chiquvchiga xulosalar 1929 yilda eksperimental ravishda tasdiqlangandir. Amerikalik astrofizik Xabllning ko’rsatishicha galaktikalar spektridagi chiziqlarni qizil tomonga siljishi Dolpler effektini ifodalab, galaktikalarni bir-biridan uzoqlashishini ko’rsatadi. Galaktikalarning bir-biridan uzoqlashishining tezligi v kuzatuvchidan

v-H*r (1)

Bu formuladagi H-55 km/c*Mnc ga teng bo’lgan kattalikga Xabll doimiysi deyiladi. Xabll doimiysini qiymati masofaga bog’liq bo’lmasdan, vaqtga bog’liqdir. Uning o’lchov birligi chastota o’lchov birligi bilan bir xildir. Galaktikalarning kengayish tezligini o’zgarmas deb hisoblasak, u holda Megagalaktikaninf yoshi t₀=r/v-H^-1-1,8*10¹⁰ yilga tengdir holda Megagalaktikaninf yoshi t₀=r/v-H^-1-1,8*10¹⁰ yilga tengdir

Koinotning ko’rinuvchi qismi (Metagalaktika) o’lchami 10¹⁰yorug’lik yiliga teng bo’lsa, kosmik nurlar bundan kichikroq masofalardan bizga yetib kelayapti, chunki kosmik zarralar to’qnashuvlar tufayli to’g’ri yo’l

bilan kelmasdan balki siniq yo’llar bilan keladi. Kosmik fazodagi xaotik joylashgan magnit maydonlarida, kosmik zarralar sochilib, harakat qiladi, shuning uchun kosmik zarralarni fazodagi harakati diffuzion harakatga yaqindir. Bunda diffuziya koeffisiyenti D-(1/3)lv sm²/s bo’lib, l- zarralarning o’zaro ta’sirlari orasidagi erkin chopish masofasi, v- ularning tezligidir. Diffuziya koeffisiyentini son qiymati, zarralarning vaqt birligida, o’rtacha kvadratik ko’chishining yarmiga teng ekanligini hisobga olsak, diffuziya natijasida

v~c tezlik bilan harakat qilayotgan zarra T vaqt davomida

R-√2DT (2)

masaofani bosib o’tishini topamiz.

Zarralarning erkin chopish yo’li uzunligini galaktikalar orasidagi masofani l-10 ²⁵ sm deb, T-ni esa megagalaktika yoshi 10 ¹⁰ yil deb olsak , R-ning maksimal qiymatini topgan bo’lamiz:

R_max-2,5*10²⁶sm-2,6*10⁸ yil (3)

Shuning uchun yoshi metagalaktikaning yashash davri davomida kosmik zarralar yerga faqatgina 10⁸ yorug’lik yiliga teng masofada yetib keladi.

Galaktikaning asosiy xususiyati, uning hamma vaqt harakatdaligidadir. Faraz qilinadiki, galaktikaning harakati, tabiati hali noma’lum bo’lgan katta portlash natijasida vujudga kelgan deb. Portlashning boshlang’ich boskichida , muhitning nihoyat katta temperatura va katta zichligiga mos keluvchi energiya ajraladi. Vaqt o’tishi bilan Metagalaktika kengayib borishi natijasida sovigan. Boshlang’ich vaqtlarda ya’ni KT>10¹⁸ ГэB bo’lganda ( K-Bolsman doimiysi), materiya universal ta’sirni tashuvchilaridan (leptokvarklardan) iborat bo’lgan. Metagalaktikani kengayishi va sovishi natijasida universal ta’sirini o’rniga, kuchsiz, elektromagnit va kuchli maydonlar (ta’sirlar) paydo bo’lgan. Natijada materiya kvarklardan, glyuonlardan, leptonlardan va fotonlardan iborat bo’ladi va ularni hammasi termodinamik muvozanatda edi. Materiyani yana sovishi natijasida kvark glyuonli plazma adronlarga aylanadi. Materiyaning zichligini ma’lum qiymatidan boshlab leptonlar ( e-elektronlar, µ-myuonlar, v- neytrinolar) o’zaro ta’sirdan mahrum yana sovishi natijasida kvark glyuonli plazma adronlarga aylanadi. Materiyaning zichligini ma’lum qiymatidan boshlab leptonlar ( e-elektronlar, µ-myuonlar, v- neytrinolar) o’zaro ta’sirdan mahrum

bo’lganlar. Elektronlar va pozitronlar annigilyasiya bo’lib, yadrolar va yulduzlar paydo bo’lgan.

Bunday jarayonlarning xotirasi koinotning ma’lum xususiyatlarida haligacha saqlanib qolgan. Masalan, 1965 yilda mikroto’lqinli radionurlanishlar qayd qilingan bo’lib, anizatropiyasining yuqori darajasi, ular butun megegalaktikani to’ldirganligidan darak beradi. Bu nurlanishni spektrini xarakteristikalari temperaturasi ~3K ga yaqin bo’lgan ( - ≈2,5*10^-4 эV) absolyut qora jismning (Plank taqsimlanishi) spektrini xarakteristikalariga yaqindir. Bunday nurlanishni paydo bo’lishini megegalaktikani evolyusiyasini boshlang’ich boskichi bilan bog’laydilarki, u vaqtlarda elektromagnit nurlanish isitilgan muhit bilan muvozanatda bo’lgan. Metagalaktika kengaygan sari nurlanishni adiabatik sovishi vujudga kelib, hozirgi vaqtda uning intensivligini maksimumi mikroto’lqinlar diapazoniga to’g’ri keladi. Bu nurlanishga reliktli nurlanish deyiladi. Reliktli nurlanishning mavjudligi, koinot nostasionarligini ko’rsatuvchi muhim dalil bo’lib, kosmik nurlar tarqalishining muammolari uchun muhim ahamiyatga egadir. Yana reliktli neytrinoli nurlanishlar ham bo’lishi ehtimoldan xoli emas.