При прохождении космических лучей через вещество межзвёздной среды или атмосферу планеты они вступают в адронные взаимодействия с ядрами газа. Наиболее значимыми процессами являются неупругие столкновения протонов и более тяжёлых ядер с последующей генерацией вторичных частиц. В условиях высоких энергий основным каналом таких взаимодействий выступает рождение пионов – лёгких мезонов, играющих фундаментальную роль в каскадных процессах.
Энергетический диапазон космических лучей простирается от сотен МэВ до более чем 1020 эВ, что приводит к качественным различиям в механизмах взаимодействий. На низких энергиях ( < 1 ГэВ) возможны процессы с образованием лишь одной или нескольких вторичных частиц. При энергиях выше порога множественного рождения ( ≳ 10 ГэВ) доминируют каскадные процессы с формированием десятков и сотен мезонов.
Пион является найлегчайшей адронной частицей, состоящей из кварк-антикварковых пар. Различают три типа пионов:
Масса заряженных пионов составляет около 139,6 МэВ/c2, а нейтрального — 135,0 МэВ/c2. Для рождения одного пиона в протон-протонном столкновении требуется минимальная кинетическая энергия протона порядка 280 МэВ. Это определяет нижний порог энергий космических лучей, при которых возможна генерация вторичных мезонов.
Взаимодействие космического протона с ядром межзвёздного или атмосферного газа может протекать по различным схемам:
p + p → p + p + π0,
p + p → p + n + π+.
p + p → p + p + nπ,
где n может достигать десятков и сотен в случае экстремально высоких энергий.
p + A → X + π±, 0,
где A – мишенное ядро, X – остатки осколков ядра после взаимодействия.
Рождение пионов определяет структуру и развитие адронных каскадов. Заряженные пионы (π±) в основном распадаются на мюоны и нейтрино:
π+ → μ+ + νμ, π− → μ− + ν̄μ.
Нейтральные пионы (π0) имеют крайне малое время жизни ( ∼ 10−16 с) и почти мгновенно распадаются на два фотона:
π0 → γ + γ.
Таким образом, заряженные пионы формируют мюонную компоненту космических лучей, а нейтральные – электромагнитные каскады. Это разделение определяет наблюдаемую структуру широких атмосферных ливней.
Важным механизмом рождения пионов является возбуждение промежуточных нуклонных резонансов, прежде всего Δ(1232):
p + p → p + Δ+,
Δ+ → p + π0 или n + π+.
Эти резонансные состояния образуются при энергиях чуть выше порога и определяют особенности сечения рождения пионов в низкоэнергетической области. При дальнейшем росте энергии вклад резонансов постепенно размывается, и начинают доминировать процессы множественного рождения.
Полное сечение неупругого протон-протонного взаимодействия возрастает с энергией и достигает сотен миллибарн при E ∼ 1015 эВ. Важной особенностью является то, что доля энергии, уходящая в производство пионов, увеличивается с ростом энергии, определяя эффективность генерации вторичных частиц в атмосфере и межзвёздной среде.
Зарегистрированные в экспериментах данные (LHC, фиксированные мишени) показывают, что при энергиях сотен ГеВ в каждом взаимодействии рождается в среднем несколько десятков пионов, а при ультравысоких энергиях их число возрастает до сотен.