Wie Sie in einem Kommentar angemerkt haben, sind Neutronen von kosmischen Strahlen sekundäre kosmische Strahlen, die durch Kollisionen (eine Art Spallation ) mit primären kosmischen Strahlen mit atmosphärischen Partikeln (typischerweise$\text{N}_2$oder$\text{O}_2$). Neutronen haben eine so kurze Lebensdauer ($\sim15$Minuten), und so ist es ihnen unmöglich, kosmische Entfernungen zurückzulegen.

Wenn eine kosmische Strahlung – im Allgemeinen ein Proton, manchmal aber auch ein Alphateilchen oder ein massereicherer Kern – auf ein Atom in der Atmosphäre trifft, können verschiedene Teilchen erzeugt werden, darunter Protonen, Neutronen und verschiedene Mesonen und Leptonen. Hier ist eine Tabelle möglicher Produkte (von hier ):

$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline \text{Particle}&\text{Rest mass}&\text{Mean lifetime}&\text{Decay mode}&\text{Decay frequency}\\ \hline \text{p}&940\text{ MeV}&>10^{25}\text{ Years}&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \hline \text{n}&940\text{ MeV}&887\text{ s}&\text{p}+e^-+\bar{\nu}_e&100\%\\ \hline \pi^{\pm}&140\text{ MeV}&26\times10^{-9}\text{ s}&\mu^{\pm}+\nu_{\mu}&99\%\\ \hline \pi^0&130\text{ MeV}&8\times10^{-17}\text{ s}&2\gamma&99\%\\ \hline K^{\pm}&500\text{ MeV}&12\times10^{-9}\text{ s}&\mu^{\pm}+\nu_{\mu},\quad\pi^{\pm}&63\%,\quad27\%\\ \hline \mu^{\pm}&110\text{ MeV}&2.2\times10^{-6}\text{ s}&e^-+\bar{\nu}_e+\nu_{\mu}&99\%\\ \hline \nu_{\mu}\text{ }^{\dagger}&<1\text{ eV}&?&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline e^{\pm}&0.51\text{ MeV}&>10^{23}\text{ years}&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \nu_{e}\text{ }^{\dagger}&<1\text{ eV}&?&\text{N/A}&\text{N/A}\\ \hline \end{array}$$ $^{\dagger}$Ich habe einige Änderungen an der Tabelle vorgenommen, die auf neueren Experimenten basieren. Den Massen von Neutrinos wurden sogar noch kleinere Grenzen auferlegt, und die bekannten "Zerfallswege" von Neutrinos sind eigentlich gar keine Zerfälle, sondern Flavour-Oszillationen . Ich habe auch angegeben, welche Teilchen Antiteilchen sind (in einigen der Zerfallsketten). Allerdings habe ich die Rundung von Massen und Lebenszeiten beibehalten; die Rundung ist dabei unerheblich.

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Massen und Energien

Das Problem bei bestimmten sekundären Teilchen der kosmischen Strahlung besteht darin, dass sie in großer Zahl mit niedrigen mittleren Energien produziert werden. Stellen wir uns vor, ein Proton ($\text{p}$) kollidiert mit einem Sauerstoffkern ($N$) in einem Molekül von$\text{O}_2$. Es könnte eine Reaktion der Form hervorrufen

$$N+\text{p}\to N+\text{n}+\pi^++\pi^-+\pi^0+e^++\nu_e+\text{photons}$$ Dies war eindeutig ein sehr energiereicher Gammastrahl! $^*$Jetzt werden ganz schnell die beiden positiven Pionen ( $\pi^+$) Zerfall in Antimyonen ( $\mu^+$) und Myonneutrinos ( $\nu_{\mu}$). Die Anti-Myonen zerfallen dann weiter in Positronen, Elektron-Neutrinos und Myon-Neutrinos. Das negative Pion ( $\pi^-$) durchläuft den gleichen Prozess, jedoch mit den Antiteilchen dieser Teilchen. Das neutrale Pion ( $\pi^0$) zerfällt in zwei Photonen ( $\gamma$), die zusammen mit den anderen bei der ursprünglichen Reaktion erzeugten Photonen möglicherweise genug Energie haben, um jeweils Elektron-Positron-Paare zu bilden. Alle diese Endprodukte (Elektronen, Neutrinos und ihre Antiteilchen) sind jetzt stabil, und das Neutron hat gute Chancen, nicht zu zerfallen, bevor es den Boden erreicht.

Wir haben jetzt ziemlich viele Leptonen und Antileptonen, die sich bewegen. Aufgrund der Energieerhaltung hat jedes dieser Teilchen jedoch viel weniger Energie als die ursprüngliche kosmische Strahlung, was bedeutet, dass sie schwer zu erkennen sind. Wie die verlinkte Seite schreibt,

Auf Meereshöhe kommen auf 10.000 Myonen immer noch ungefähr: 200 Primärteilchen (Protonen und gelegentlich Neutronen), 20 hochenergetische Elektronen (E > 1 GeV) und 4 Pionen. Aber es können bis zu 100.000 niederenergetische Elektronen durch die Kaskade erzeugt werden. Diese Partikel werden schnell absorbiert, aber wenn der Schauer stark genug ist oder der Schauer niedrig genug begonnen hat, können sie immer noch die am weitesten verbreiteten Partikel auf Meereshöhe sein. Die von uns verwendeten Kunststoff-Szintillatoren werden sie jedoch aufgrund ihrer mangelnden Durchschlagskraft sowieso nicht erkennen.

Das scheidet also viele mögliche Kandidaten aus.

Eliminiert (im Großen und Ganzen):

• Pionen
• Myonen
• Neutrinos
• Elektronen

$^*$Wir sehen hier so etwas wie eine Positronenemission , insofern ein Proton hineingeht und ein Neutron hinausgeht (nehmen Sie die Analogie nicht zu weit!). Normalerweise mag dies seltsam erscheinen, weil zusätzliche Masse-Energie benötigt würde, aber es gibt ziemlich viel Energie, um herumzukommen. Kosmische Strahlungsenergien werden in gemessen$\text{GeV}$Reichweite, und Sie brauchen nur einen kleinen Bruchteil davon, um die Differenz zwischen den Ruhemassen eines Neutrons und eines Protons auszugleichen! Auch werden nicht alle diese Zerfallsketten in jedem Fall auftreten; sie sind hier einfach Beispielprozesse.

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Mittlere Lebensdauer

Die Pionen, Kaonen und Myonen haben alle eine Lebensdauer in der Größenordnung von oder weniger als$\sim10^{-6}$Sekunden. Das bedeutet, dass die meisten schnell zerfallen, bevor sie den Boden erreichen – obwohl man bedenken sollte, dass dies mittlere Lebensdauern sind, keine absoluten Lebensdauern. Außerdem kann die Zeitdilatation bei diesen Geschwindigkeiten unglaublich bedeutend sein und bedeutet, dass viele Myonen den Boden erreichen werden. Es ist jedoch immer noch besser, Teilchen mit längerer mittlerer Lebensdauer zu haben, da weniger über die gleichen Zeitskalen zerfallen.

Angenommen, wir haben ein Energieteilchen$E$und Ruhemasse$m$. Der Lorentzfaktor ,$\gamma$, Ist

$$\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$$ und die Gesamtenergie ist $$E=\gamma mc^2$$ Deshalb, $$\gamma=\frac{E}{mc^2}$$ Nehmen wir an, wir haben einen primären kosmischen Strahl mit einer Energie in der Größenordnung von $\sim10\text{ GeV}$, und ein durch Pion-Zerfall erzeugtes Myon wird mit durchdrungen $10\%$dieser Energie. Das finden wir dann $$\gamma\approx10$$ Das Myon erfährt eine Zeitdilatation, wobei sich seine Lebensdauer um den Faktor 10 erhöht, wenn es von einem externen Beobachter gesehen wird. Nun, angesichts dessen $\gamma\propto E$, müsste ein Kaon einen Lorentzfaktor von ungefähr haben $\sim10^2$- $10^3$mal die des Myons, um eine Lebensdauer in der gleichen Größenordnung zu haben, und Pionen bräuchten so etwas wie Lorentz-Faktoren $10^8$mal das . Ein Blick auf die Energieverteilung der primären kosmischen Strahlung zeigt, dass selbst ankommende Protonen oder Kerne diese Art von Energie wahrscheinlich nicht haben, bevor sie mit atmosphärischen Kernen kollidieren. Die Folge davon ist, dass nur Myonen von den zerfallsgefährdeten Leptonen oder Mesonen eine Chance haben, den Boden zu erreichen.

Beseitigt:

• Pionen
• Kaonen
• (Einige) Myonen

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Interaktionen mit verschiedenen Dingen

Wenn das Energiekriterium nicht ausreicht, können wir sicher sein, dass Neutrinos eine schlechte Wahl sind. Sie interagieren mit anderen Teilchen hauptsächlich durch die schwache Kernkraft , die ist. . . naja, schwach. Deshalb ist es so schwierig, sie überhaupt nachzuweisen, geschweige denn in nennenswerten Mengen.

Außerdem machen Magnetfelder, wie in den Kommentaren besprochen, seltsame Dinge mit geladenen Teilchen. In diesem Fall können Protonen und Elektronen durch das Magnetfeld der Erde (nicht das der Sonne) umgeleitet werden, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Dies ist nicht wirklich ein Problem, wenn wir Sekundärteilchen betrachten, aber es bedeutet, dass geladene Teilchen oft keine gute Wahl sind (wenn sie außerhalb der Atmosphäre entstehen).

Beseitigt:

• Neutrinos
• (Einige) Protonen
• (Einige) Elektronen

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Nukleonenenergien

Hier kommen wir zum Kern Ihrer Frage: Warum nicht Protonen? Immerhin machen sie den Großteil der primären kosmischen Strahlung aus ($\sim90\%$, glaube ich) und können bei bestimmten atmosphärischen kollisionsbasierten Reaktionen in größeren Mengen als Neutronen erzeugt werden. Die Sache ist die, dass die meisten der primären Protonen der kosmischen Strahlung hohe Energien haben müssen, um die Oberfläche in großen Mengen zu erreichen. Dies bedeutet, dass bei niedrigeren Energien ein höheres Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis vorliegen sollte.

Dies mag unwichtig sein, aber Hinweise deuten darauf hin, dass Forbush-Abnahmen bei der Beeinflussung niederenergetischer Teilchen stärker ausgeprägt sein können als bei hochenergetischen Teilchen – etwas, das in den 1950er Jahren bekannt war (siehe Simpson (1957) und Lockwood ( 1971 ) , z eine frühere Bewertung)! Neuere Experimente zeigen diesen Effekt weiterhin (siehe Ifedili (2007) ).

Beseitigt:

• (Einige) Protonen

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Es gibt eine Vielzahl von Partikeln, die durch kosmische Strahlung durch Wechselwirkungen mit der Atmosphäre erzeugt werden können, aber die meisten von ihnen sind aus verschiedenen Gründen eine schlechte Wahl. Sie haben möglicherweise nicht genug Energie, um in großen Mengen so leicht nachgewiesen zu werden (Pionen, Myonen, Elektronen und Neutrinos), haben möglicherweise eine zu kurze Lebensdauer (Kaonen und Pionen), können zu schwach mit Materie wechselwirken (Neutrinos), können durch abgelenkt werden das Magnetfeld der Erde (primäre kosmische Strahlung von Protonen und Elektronen) oder zu hohe Energien haben (Protonen). Neutronen fallen keinem dieser Probleme zum Opfer.

Ich sage nicht, dass es unmöglich ist, irgendwelche der anderen Teilchen zu entdecken. Umgebungsmyonen können zum Beispiel von einer kleinen, tragbaren Nebelkammer erkannt werden, die leicht in einem Klassenzimmer hergestellt werden kann (Pro-Tipp: schirmen Sie sie nicht vor diesen Myonen ab). Es ist einfach so, dass Neutronen besser und/oder einfacher zu erkennen sind als andere Teilchen. Wenn ich also „Eliminates“ schreibe, bedeutet das nicht, dass es unmöglich ist , diese Partikel zu entdecken; es bedeutet nur, dass sie nicht die erste Wahl für irgendjemanden sind.