[우주선 3] 우주선과 지구

[우주선 3] 우주선과 지구

1.  대기 연쇄 붕괴(atmospheric cascade)

공기 속에서 에너지가 큰 양성자(중성자)의 물질하중 평균 자유 경로(mean free path)는 100g㎝-2 (140g㎝-2 )이다. 평균 자유 경로는 대기 원자 및 분자의 핵과 양성자(중성자)의 핵 충돌에 의해서 결정된다.

한편, 지구 평균 대기 1기압에서 대기 물질의 양은 1,033g㎝-2이다. 그러므로 1차 우주선이 지표면에 도달하는 것은 매우 힘들다. 또, 1차 우주선은 대기 연쇄 붕괴를 형성하는 연속적인 충돌과 상호작용을 거쳐 2차 우주선을 생성한다. 1차 우주선 양성자로부터 2차 우주선 생성과정으로 평균적으로 10회 정도 충돌 후 2차 입자가 지상에 도달한다.

Fig. 1-7은 1차 우주선이 지구의 대기에 들어와서 대략 35km 높이의 성층권 에서부터 대기입자와 충돌한 후 2차 입자가 생성되는 cosmic ray shower의 모형도이다. 2차 입자는 주로 중성자와 뮤온이며 각각 우주선 중성자 관측기(neutro n monitor, NM), 뮤온 관측기(muon detector)로 지상에서 관측하고 있다.

이 대기 연쇄 붕괴는 3개의 주요 성분으로 이루어져 있다. 첫째, soft 또는 전 자기 성분(electromagnetic component)으로 전자, 반전자, 광자이다. 둘째, hard 또는 뮤온 성분(muon component)으로 뮤온으로 구성되어 있다. 한때 이 성 분은 메존 성분(meson component)으로 불렸다. 이 잘못된 명명은 뮤온과 다른 기본 입자의 성질이 잘 알려져 있지 않았던 초기 우주선 연구에 있었다. 뮤온은 강하게 상호작용하지 않으며, 전자, 타우 렙톤(tau lepton), 뉴트리노와 함께 약한  상호작용 입자이다. 우주선에서 생성되는 대부분의 메존은 파이온(pion)이다. 파 이온은 매우 수명이 짧고, 지상에 도착하기 전에 붕괴된다. 셋째, 핵 성분(nucle onic component)으로 지구에서 대부분이 초열적(superthermal) 중성자이다.