Как вы отметили в комментарии, нейтроны от космических лучей — это вторичные космические лучи, возникающие в результате столкновений (тип расщепления ) с первичными космическими лучами с атмосферными частицами (обычно$\text{N}_2$или$\text{O}_2$). Нейтроны имеют такое короткое время жизни ($\sim15$минут), и поэтому для них невозможно путешествовать на космические расстояния.

Когда космический луч — обычно протон, но иногда альфа-частица или более массивное ядро ​​— сталкивается с атомом в атмосфере, могут образовываться различные частицы, включая протоны, нейтроны и различные мезоны и лептоны. Вот таблица возможных продуктов (отсюда ) :

$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline \text{Particle}&\text{Rest mass}&\text{Mean lifetime}&\text{Decay mode}&\text{Decay frequency}\\ \hline \text{p}&940\text{ MeV}&>10^{25}\text{ Years}&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \hline \text{n}&940\text{ MeV}&887\text{ s}&\text{p}+e^-+\bar{\nu}_e&100\%\\ \hline \pi^{\pm}&140\text{ MeV}&26\times10^{-9}\text{ s}&\mu^{\pm}+\nu_{\mu}&99\%\\ \hline \pi^0&130\text{ MeV}&8\times10^{-17}\text{ s}&2\gamma&99\%\\ \hline K^{\pm}&500\text{ MeV}&12\times10^{-9}\text{ s}&\mu^{\pm}+\nu_{\mu},\quad\pi^{\pm}&63\%,\quad27\%\\ \hline \mu^{\pm}&110\text{ MeV}&2.2\times10^{-6}\text{ s}&e^-+\bar{\nu}_e+\nu_{\mu}&99\%\\ \hline \nu_{\mu}\text{ }^{\dagger}&<1\text{ eV}&?&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline e^{\pm}&0.51\text{ MeV}&>10^{23}\text{ years}&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \nu_{e}\text{ }^{\dagger}&<1\text{ eV}&?&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \end{array}$$ $^{\dagger}$Я внес некоторые изменения в таблицу на основе новых экспериментов. На массы нейтрино были наложены еще меньшие ограничения, и известные пути «распада» нейтрино на самом деле вовсе не распадаются, а представляют собой осцилляции аромата . Я также обозначил, какие частицы являются античастицами (в некоторых цепочках распада). Однако я сохранил округление масс и сроков службы; округление здесь несущественно.

---

Массы и энергии

Проблема с некоторыми вторичными частицами космических лучей заключается в том, что они производятся в больших количествах с низкими средними энергиями. Представим, что протон ($\text{p}$) сталкивается с ядром кислорода ($N$) в молекуле$\text{O}_2$. Это может вызвать реакцию вида

$$N+\text{p}\to N+\text{n}+\pi^++\pi^-+\pi^0+e^++\nu_e+\text{photons}$$ Это явно был очень энергичный гамма-луч! $^*$Теперь очень быстро два положительных пиона ( $\pi^+$) распадаются на антимюоны ( $\mu^+$) и мюонные нейтрино ( $\nu_{\mu}$). Затем антимюоны распадаются на позитроны, электронные нейтрино и мюонные нейтрино. Отрицательный пион ( $\pi^-$) проходит тот же процесс, но с античастицами этих частиц. Нейтральный пион ( $\pi^0$) распадается на два фотона ( $\gamma$), которые вместе с другими фотонами, образующимися в исходной реакции, могут иметь достаточную энергию для образования электронно-позитронных пар. Все эти конечные продукты (электроны, нейтрино и их античастицы) теперь стабильны, и нейтрон имеет хорошие шансы не распасться до того, как достигнет земли.

Теперь вокруг нас движется довольно много лептонов и антилептонов. Однако из-за сохранения энергии каждая из этих частиц имеет гораздо меньшую энергию, чем исходный космический луч, а это означает, что их трудно обнаружить. Как написано на связанной странице,

На уровне моря на каждые 10 000 мюонов по-прежнему будет приходиться примерно: 200 первичных (протонов и случайных нейтронов), 20 высокоэнергетических электронов (E>1 ГэВ) и 4 пиона. Но может быть до 100 000 низкоэнергетических электронов, созданных каскадом. Эти частицы быстро поглощаются, но если ливень достаточно энергичный или ливень начался достаточно низко, они все еще могут быть наиболее распространенными частицами на уровне моря. Однако из-за недостаточной проникающей способности используемые нами пластиковые сцинтилляторы все равно их не обнаружат.

Так что это избавляет от многих возможных кандидатов.

Устраняет (в целом):

• Пионы
• Мюоны
• нейтрино
• Электроны

$^*$Мы видим здесь что-то вроде испускания позитронов , поскольку протон входит, а нейтрон уходит (не заходите слишком далеко в аналогии!). Обычно это может показаться странным, потому что потребуется дополнительная масса-энергия, но энергии достаточно много. Энергия космических лучей измеряется в$\text{GeV}$диапазон, и вам нужна лишь небольшая его часть, чтобы компенсировать разницу между массами покоя нейтрона и протона! Кроме того, не все эти цепочки распада будут происходить в каждом случае; они просто примеры процессов здесь.

---

Средний срок службы

Пионы, каоны и мюоны имеют время жизни порядка или меньше$\sim10^{-6}$секунды. Это означает, что большинство из них быстро разлагаются, не достигнув земли, хотя имейте в виду, что это среднее время жизни, а не абсолютное время жизни. Кроме того, замедление времени на таких скоростях может быть невероятно значительным и означает, что многие мюоны достигнут земли. Тем не менее, всегда лучше иметь частицы с более длительным средним временем жизни, так как меньшее количество частиц будет распадаться за те же временные масштабы.

Скажем, у нас есть частица энергии$E$и масса покоя$m$. фактор Лоренца ,$\gamma$, является

$$\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$$ а полная энергия $$E=\gamma mc^2$$ Поэтому, $$\gamma=\frac{E}{mc^2}$$ Допустим, у нас есть первичный космический луч с энергией порядка $\sim10\text{ GeV}$, а мюон, рожденный в результате распада пиона, наполнен $10\%$этой энергии. Затем мы находим, что $$\gamma\approx10$$ Мюон испытает замедление времени, и его время жизни увеличится в 10 раз, если его увидит внешний наблюдатель. Теперь, учитывая, что $\gamma\propto E$, каон должен иметь фактор Лоренца примерно $\sim10^2$- $10^3$раз больше, чем у мюона, чтобы иметь время жизни того же порядка, а пионам потребуются факторы Лоренца, что-то вроде $10^8$раз это . Взгляд на первичное распределение энергии космических лучей показывает, что даже падающие протоны или ядра вряд ли будут иметь такую ​​энергию до столкновения с атмосферными ядрами. Результатом этого является то, что только мюоны из склонных к распаду лептонов или мезонов имеют шанс достичь земли.

Устраняет:

• Пионы
• Каоны
• (Некоторые) мюоны

---

Взаимодействие с различными вещами

Если энергетического критерия недостаточно, мы можем быть уверены, что нейтрино — ужасный выбор. Они взаимодействуют с другими частицами в первую очередь за счет слабого ядерного взаимодействия , т.е. . . ну слабенький. Вот почему их так трудно обнаружить вообще, не говоря уже о значительных количествах.

Кроме того, как обсуждалось в комментариях, магнитные поля делают с заряженными частицами странные вещи. В этом случае протоны и электроны могут быть перенаправлены магнитным полем Земли (не Солнца) перед входом в атмосферу. На самом деле это не проблема, если мы рассматриваем вторичные частицы, но это означает, что заряженные частицы часто не являются хорошим выбором (если они происходят за пределами атмосферы).

Устраняет:

• нейтрино
• (Некоторые) протоны
• (Некоторые) электроны

---

Энергии нуклонов

Вот где мы подходим к сути вашего вопроса: почему не протоны? Ведь они составляют большинство первичных космических лучей ($\sim90\%$, я полагаю), и могут производиться в больших количествах, чем нейтроны, в некоторых реакциях, основанных на атмосферных столкновениях. Дело в том, что большинство протонов первичных космических лучей должны иметь высокие энергии, чтобы достичь поверхности в больших количествах. Это означает, что при более низких энергиях должно быть более высокое отношение нейтронов к протонам.

Это может быть неважно, но данные свидетельствуют о том, что уменьшение Форбуша может быть более заметным при влиянии на частицы с низкой энергией, в отличие от частиц с высокой энергией, что было известно в 1950-х годах (см. Симпсон (1957) и Локвуд ( 1971 ) , для предыдущий отзыв) Более новые эксперименты продолжают показывать этот эффект (см. Ifedili (2007) ).

Устраняет:

• (Некоторые) протоны

---

Существует множество частиц, которые могут быть созданы космическими лучами при взаимодействии с атмосферой, но большинство из них — плохой выбор по разным причинам. У них может быть недостаточно энергии, чтобы их можно было так же легко обнаружить в больших количествах (пионы, мюоны, электроны и нейтрино), они могут иметь слишком короткое время жизни (каоны и пионы), могут слишком слабо взаимодействовать с веществом (нейтрино), могут отклоняться магнитное поле Земли (первичные космические лучи протонов и электронов) или могут иметь слишком высокие энергии (протоны). Нейтроны не становятся жертвами ни одной из этих проблем.

Я не говорю, что невозможно обнаружить какие-либо другие частицы. Окружающие мюоны можно обнаружить , например, с помощью небольшой переносной камеры Вильсона, которую можно легко сделать в классе (совет: не экранируйте ее от указанных мюонов). Просто нейтроны стали лучше и/или проще обнаруживать, чем другие частицы. Поэтому, когда я пишу «Удаляет», это не значит, что эти частицы невозможно обнаружить; это просто означает, что они не являются чьим-либо лучшим выбором.