Summary
An essentially analytical theory of atmospheric cosmic-ray propagation is developed on the basis of a phenomenological model of hadron-nucleus collisions. This model correctly predicts the sea-level cosmic-ray nucleon, pion and muon spectra, the cosmic-ray ionization profile in the atmosphere, and neutron flux and density profiles in the atmosphere. It is concluded that the large-scale properties of atmospheric cosmic rays can be accurately predicted on the basis of a purely nucleonic cascade as a result of which all secondaries are mediated by pion production. Implications for energy independence of cross-sections, the recent 70 GeV results from Serpukhov, and nucleonic relaxation rates in the atmosphere are discussed.
Riassunto
Si sviluppa una teoria essenzialmente analitica della propagazione atmosferica dei raggi cosmici sulla base di un modello fenomenologico delle collisioni adrone-nucleo. Questo modello prevede correttamente gli spettri delle componenti muonica, pionica e nucleonica dei raggi cosmici al livello del mare, il profilo di ionizzazione dei raggi cosmici nell'atmosfera ed il flusso e i profili di densità dei neutroni nell'atmosfera. Si conclude che le proprietà a grande scala dei raggi cosmici possono essere previste accuratamente sulla base di una cascata puramente nucleonica in conseguenza della quale tutti i secondari hanno per intermediario la produzione di pioni. Si discutono le implicazioni per l'indipendenza dall'energia delle sezioni d'urto, i recenti risultati a 70 GeV ottenuti a Serpukhov ed i rapporti di rilassamento nucleonico nell'atmosfera.
Резюме
На основе феноменологической модели адрон-ядерных соудареиий развивается, по существу, аналитическая теория распространения космических лучей в атмосфере. Эта модель правильно предсказывает спектры космических нуклонов, пионов и мюонов на уровне моря, ионизационный профиль профиль космических лучей в атмосфере и профили потока и плотности нейтронов в атмосфере. Утверждается, что основные свойства космических лучей в атмосфере могут быть аккуратно предсказаны на основе чисто нуклонных каскадов, в результате которых все вторичные частицы являются промежуточным звеном для рождения пионов. Обсуждаются следствия этой модели для энергетической зависимости поперечных сечений, полученных недавно результатов при энергии 70 ГэВ в Серпухове, и для интенсивностей нуклонных релаксаций.
Similar content being viewed by others
Literatur
K. O'Brien:Journ. Geophys. Res.,75, 4357 (1970).
Y. Fujimoto andS. Hayakawa:Cosmic rays and high-energy physics, inEncyclopedia of Physics, Vol.46/2 (Berlin, 1967), p. 115.
R. Hagedorn andJ. Ranft:Suppl. Nuovo Cimento,6, 169 (1968).
R. G. Alsmiller jr. andJ. Barish: ORNL-3855 (1965).
K. O'Brien:Nucl. Instr. Meth.,72, 93 (1969).
G. Cocconi, L. J. Koester andD. H. Perkins: UCRL-10022, p. 167–190 (1961).
G. Trilling: Lawrence Radiation Laboratory Report UCID-10148 (1966).
T. A. Gabriel, R. G. Alsmiller jr. andM. P. Guthrie: ORNL-4542 (1970).
J. Ranft andT. Borak:Improved nucleon-meson cascade calculations, FN-193, 1100.0, National Accelerator Laboratory (1969).
U. Camerini, J. H. Davies, P. H. Fowler, C. Franzinetti, H. Muirhead, W. O. Lock, D. H. Perkins andG. Yekutieli:Phil. Mag.,42, 1241 (1951).
H. Meyer, M. W. Teucher andE. Lohrmann:Nuovo Cimento,28, 1399 (1963).
H. W. Bertini:Phys. Rev.,188, 1711 (1969).
R. G. Alsmiller jr.,F. S. Alsmiller andJ. E. Murphy: ORNL-3289 (1963).
R. G. Alsmiller jr.,F. S. Alsmiller andJ. B. Barish: ORNL-3854 (1967).
S. A. Kronrod:Nodes and Weights of Quadrature Formulas, (New York, 1965).
C. Passow:Phenomenologische Theorie zur Berechnung einer Kaskade aus schweren Teilchen (Nukleonenkaskade) in der Materie, DESY Notiz A 2.85 (1962).
F. S. Alsmiller: ORNL-3746 (1965).
R. K. Adair:Phys. Rev.,172, 1370 (1968).
T. W. Armstrong andR. G. Alsmiller jr.:The nucleon-meson cascade in iron induced by 1and 3 GeVprotons, in ORNL-RSIC-25, ANS-SD-9;Shielding Benchmark Probl]Literaturems, edited byA. E. Profio, Oak Ridge National Laboratory (1970).
K. O'Brien:Nucl. Instr. Meth., in press (1970).
C. D. Zerby andH. S. Noran: ORNL-3320 (1962).
H. Beck: USAEC Report HASL-213 (1969).
L. J. Gleeson andW. I. Axford:Can. Journ. Phys.,46, S937 (1968).
P. S. Freier andC. J. Waddington:Space Sci. Rev.,4, 313 (1965).
A. Ehmart:Proceedings of the International Conference on Cosmic Rays (Moscow, 1959) Vol.4, 140 (1960).
P. S. Freier andC. J. Waddington:Proceedings of the Ninth International Conference on Cosmic Rays (London, 1965); Vol.1, 176 (1966).
B. Peters:Cosmic rays, inHandbook of Physics, edited byE. U. Condon andH. Odishaw (New York, 1958), p. 9.
H. V. Neher:Journ. Geophys. Res.,72, 1527 (1967).
F. K. Richtmeyer, E. H. Kennard andT. Lawritsen:Introduction to Modern Physics (5th Edition) (New York, 1955), p. 566.
G. Lemaitre andM. S. Vallarta:Phys. Rev.,50, 493 (1936).
G. Brooke andA. W. Wolfendale:Proc. Phys. Soc.,83, 843 (1964).
F. Ashton andR. B. Coats:Journ. Phys. A,1, 169 (1968).
G. Brooke, M. A. Meyer andA. W. Wolfendale:Proc. Phys. Soc.,83, 871 (1964).
B. G. Owen andJ. G. Wilson:Proc. Phys. Soc.,68, 409 (1955).
J. E. R. Holmes, B. G. Owen andA. L. Rodgers:Proc. Phys. Soc.,78, 505 (1961).
M. Gardener, D. G. Jones, F. E. Taylor andA. W. Wolfendale:Proc. Phys. Soc.,80, 697 (1962).
P. J. Hayman andA. W. Wolfendale:Proc. Phys. Soc.,80, 710 (1962).
R. J. Stefanski, R. K. Adair andH. Kasha:Phys. Rev. Lett.,20, 950 (1968).
M. George:Journ. Geophys. Rev.,75, 3693 (1970).
W. M. Lowder andH. L. Beck:Journ. Geophys. Res.,71, 4661 (1966).
W. N. Hess, E. H. Canfield andR. E. Lingenfelter:Journ. Geophys. Res.,66, 665 (1961).
G. Boella, G. Degli Antoni, C. Dilworth, G. Giannelli, E. Ricco, L. Scarsi andD. Shapiro:Nuovo Cimento,29, 103 (1963).
G. Boella, G. Degli Antoni, C. Dilworth, M. Panetti, L. Scarsi andD. S. Intriligator:Journ. Geophys. Res.,70, 1019 (1965).
M. Yamashita, L. D. Stephens andH. W. Patterson:Journ. Geophys. Res.,71, 3817 (1966).
C. L. Yuan:Phys. Rev.,81, 175 (1951).
R. Gold:Phys. Rev.,165, 1411 (1968).
R. F. Miles:Journ. Geophys. Res.,69, 1277 (1964).
R. F. Miles: Thesis, California Institute of Technology (1963).
R. C. Haymes:Phys. Rev.,116, 1231 (1959).
R. K. Soberman:Phys. Rev.,102, 1399 (1956).
H. E. Bergeson, J. W. Keuffel, M. O. Larson, G. W. Mason andJ. L. Osborne:Phys. Rev. Lett.,21, 1089 (1968).
Y. B. Bushnin, S. P. Denisov, S. V. Donskov, A. F. Dunaitsev, Y. P. Gorin, V. A. Kachanov, Y. S. Khodirev, V. I. Kotov, V. M. Kutyin, A. I. Petrukhin, Y. D. Prokoshkin, E. A. Razuvaev, R. S. Shuvalov, D. A. Stoyanova, J. V. Allaby, F. Binon, A. N. Diddens, P. Duteil, G. Giacomelli, R. Meunier, J.-P. Peigneux, K. Schlupmann, M. Spighel, C. A. Stahlbrandt, J.-P. Stroot andA. M. Wetherell:Phys. Lett.,29 B, 48 (1969).
A. M. Wetherell:Selected Topics in Particle Physics, edited byJ. Steinberger (New York, 1968).
N. A. Simionati de Fritz andA. A. Cicchini:Nuovo Cimento,40 B, 220 (1967).
A. G. McNish:Terrest. Magnetism Atmospheric Elec.,41, 37 (1936).
Author information
Authors and Affiliations
Additional information
To speed up publ]Literaturication, the author of this paper has agreed to not receive the proofs for correction.
Traduzione a cura della Redazione.
Перебедено редакцией.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
O'Brien, K. Cosmic-ray propagation in the atmosphere. Nuov Cim A 3, 521–547 (1971). https://doi.org/10.1007/BF02823324
Received:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/BF02823324