Космические лучи, достигающие Земли, в основном состоят из протонов (около 90%), альфа-частиц и ядер тяжелых элементов. При попадании в атмосферу Земли они взаимодействуют с атомами воздуха (в первую очередь с азотом и кислородом) на высотах порядка 15–30 км, инициируя каскад ядерных реакций. Первичное столкновение характеризуется высокой энергией (до 1020 эВ), и в результате образуются вторичные частицы — в основном пионы (π±, π0), каоны, гипероны и нуклоны.
Результатом этих процессов является формирование широкого атмосферного ливня (ШАЛ) — каскада вторичных частиц, распространяющегося в атмосфере вниз. ШАЛ включает три основных компонента:
Развитие ШАЛ описывается с помощью каскадных уравнений, учитывающих процессы рождения, распада и взаимодействий частиц. Ширина и длина ливня зависят от энергии первичной частицы и от угла её вхождения в атмосферу.
Одним из ключевых параметров, характеризующих ШАЛ, является глубина максимума развития ливня Xmax, измеряемая в г/см². Это точка, в которой число частиц в каскаде достигает максимума. Она зависит от:
Наблюдение за распределением Xmax позволяет делать выводы о химическом составе космических лучей.
Мюоны — основная составляющая, достигающая поверхности Земли. Благодаря своей массе (mμ ≈ 105 МэВ) и сравнительно большой длине жизни (τ ≈ 2.2 мкс), они слабо взаимодействуют с веществом и слабо теряют энергию на ионизацию. Это делает их эффективными зондами при исследовании ШАЛ.
Нейтрино формируются при распадах мюонов и пионов. Они практически не взаимодействуют с веществом, проникая сквозь атмосферу и земную кору. Их регистрация требует объемных подземных или подводных детекторов (например, IceCube, Super-Kamiokande).
Фотонная и электронная компоненты, возникшие из π0, порождают электромагнитные каскады посредством процессов тормозного излучения и образования пар. Эти процессы описываются классической теорией Эйрея-Хейткера (Heitler model) и Бете-Гайтлера.
Процесс взаимодействия первичных частиц с ядрами воздуха описывается сечением неупругого рассеяния σinel, зависящим от энергии. На энергиях порядка 1015 − 1018 эВ оно оценивается в диапазоне 300–500 мб. При этом важен параметр инеластичности K — доля энергии, уходящая на образование вторичных частиц (в отличие от упруго рассеянной части). Обычно K ≈ 0.5 − 0.7.
Параметры взаимодействий, такие как распределения по быстроте, поперечному импульсу, псевдодосяжности, имеют существенное влияние на развитие ливня и его морфологию.
Первичные частицы могут быть не только нуклонами, но и тяжёлыми ядрами (например, железо). В этом случае наблюдаются ядерные эффекты:
Такие ливни развиваются быстрее, имеют меньшую глубину максимума и более широкую мюонную компоненту.
Даже при одинаковой энергии и массе первичной частицы, развитие ШАЛ подвержено стохастическим флуктуациям, связанным с вероятностным характером процессов рождения и распада частиц. Это влияет на точность реконструкции параметров первичного космического луча по данным детекторов.
Существуют два основных метода регистрации взаимодействия космических лучей с атмосферой:
Совмещение этих методов даёт возможность с высокой точностью восстанавливать энергию, массу и направление первичных частиц.
Иногда в ливнях наблюдаются отклонения от средних характеристик — например, сверхмногочисленные мюонные события или аномально глубокие ливни. Это может быть связано как с флуктуациями, так и с новой физикой: появлением экзотических частиц, мини-чёрных дыр, эффектов суперинеластичности, или новых каналов взаимодействия, выходящих за рамки Стандартной модели.
Для описания взаимодействий космических лучей с атмосферой используются сложные модели адронных взаимодействий высокой энергии — такие как QGSJET, EPOS, SIBYLL, DPMJET. Они строятся на основе феноменологических подходов (реггеизация, графики померончика), данных ускорительных экспериментов и калибруются по данным ливневых массивов.
Корректность интерпретации наблюдаемых ливней напрямую зависит от точности этих моделей. Поэтому космические лучи служат естественной лабораторией для проверки и уточнения моделей адронной физики на энергиях, недоступных земным ускорителям.
Анализ ШАЛ позволяет восстановить энергетический спектр космических лучей, проявляющийся в виде степенного закона с изломами (“коленом” на ∼ 1015 эВ и “голенищем” на ∼ 1018 эВ). Эти особенности указывают на изменение механизмов ускорения и, возможно, источников космических лучей.
Параметры развития ливня, в первую очередь глубина максимума и число мюонов, позволяют также определять химический состав первичных частиц, хотя с большой неопределённостью, связанной с модельной зависимостью.
Через взаимодействие с атмосферой, космические лучи становятся источником нейтрино, гамма-квантов и мюонов, что делает возможным развитие мультичастичной астрономии. Наземные и орбитальные установки (например, LHAASO, IceCube, AUGER) анализируют эти вторичные сигналы, позволяя получать информацию о происхождении и распространении космических лучей, а также о структуре Вселенной на самых больших масштабах.