Космичко зрачење

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај

Koсмички зрацисубатомски честички со енергетски полнеж кои потекнуваат од вселената. Тие моќе да произведат второстепени честички кои можат да навлезат во земјината атмосфера и површина. Изразот зрак се провлекол низ исоријата бидејќи порано се мислело дека ко смичките зраци претставуваат електромагнетни бранови. Примарните космички зраци (оние кои навлегуваат во земјината атмосфера а потекнуваат од далечните вселенски пространства) се составени од познати стабилни честички кои ги има на Земјата во нормални услови, како протони, неутрони и електрони. Но, многу мал дел се и стабилни антимаетријални честички како антипротони, антинеутрони и антиелектрони, а нивната природа е сеуште предмет на истражувања.

The energy spectrum for cosmic rays

Околу 89% од космичките зраци се обични протони или водородни јадра, 10 % се хелиумови јадра или алфа честички и 1% се јадра на некои потешки елементи. Космичките зраци содржат 99% од овие јадра. Слободните електрони (како бета честички, иако нивниот извор е непознат) го дполнуваат останатиот 1% во составот на космичките зраци. Разликата во енергии на честичките варира во зависност од нивниот извор. Ове честици можат да се создадат со нуклеарните процеси во Сонцето (како и во другите ѕвезди), но и во некои досега неистражени процеси кои што се случуваат во далечните вселенски пространства. Космичките зраци можат да имаат енергии >1020eV, многу повисоки од енергиите 1012 еV и 1013eV кои можат да ги произведат акцелераторите на честички сместени на Земјата.

Космичките зраци имаат примарна улога во формирањето на литиумот, берилиумот и борот во универзумот низ процесот на космичка нуклеосинтеза. Тие исто така произведуваат некои така наречени космогенско стабилни изотопи и некои радиоизотопи на Земјата, како јаглерод-14. Во историјата на физиката на честици, космичките зраци беа изворот за откритието на позитронот, мионот и π-мезонот. Космичките зраци составуваат голем дел од природното позадинско зрачење на Земјата. Бидејќи интензитетот на космичките зраци е многу поголем во погорните слоеви на Земјината атмосфера и во магнетното поле, се очекува да имаат значаен удел во дизајнирање на вселенски летала за меѓуѕвездени патувања.

Состав[уреди | уреди извор]

Космичките зраци можат да се поделат, главно на две категории: примарни и секундарни. Космичките зраци кои потекнуваат од екстрасоларни извиру на зрачење се нарекуваат примарни космички зраци; овие космички може заемно да дејствуваат со меѓуѕвездената материја и да создадат секундарни космички зраци. Сонцето исто така емитира нискоенергетски космички зраци кои се поврзани со соларните бури. Составот на примарните космички зраци, во надворешниот дел на Земјината атмосфера, зависи од тоа кој дел од енергетскиот спектар е набљудуван. Но, воглавно, 90% од сите зраци се протони, околу 9% се јкадра на хелиум (алфа честички) и отприлика 1% се електрони. Односот помеѓу јадрата на водород и хелиум е приближно ист како и односот на вие елементи во Универзумт. Преостанатиот дел е составен од потешки јадра кои се резулат на процесите во Универзумот при кои се создаваат потешки елементи. Секундарните космички зраци се составени од други јадра кои не се производ на нуклеарна синтеза или производ на Големата експлозија, како литиум, берилиум, бор и слично. Овие лесни јадра се појавуваат кај космичките зраци во многу поголемо количество отколку кај Соларната атмосфера. Разликата во количеството е резултат од начинот на кој се формираат секундарните космички зраци. Кога потешките јадра кои се составен дел на космичките зраци, како јаглеродните и кислородните јадра, се судрат со меѓуѕвездената материја, се распаѓаат на полесни јадра , односно на јадра на литиум, берилиум и бор. Откриено е дека енергетскиот спектар на литиумот, берилиумот и борот, се намалува многу пострмно, отколку оној на јаглеродот и кислородот, што укажува на тоа дека кај јадраа со повисока енергија доаѓа до помал распад поради тоа што тие јадра можат побрзо да го напуштат галактичкото магнетно поле. Распаѓањето е исто така причина за присуството на јони на скандиум, титаниум, ванадиум и магнезиум во космичките зраци, кои се произведуваат со судир на железно и јадро на никел со меѓуѕвездената материја. Експериментите на сателитите откриле докази на неколку антипротони и позитрони дури и во примарните космичи зраци, иако не постои доказ за сложено атомско јадро од анитиматерија, како антихелиумово јадро (антиалфа честички). Присуството на честички на антиматерија кое е забележано во примарните космички зраци се објаснува со тероијата дека и тие се создаваат преку судар на примарните космички зраци со меѓуѕвездената материја. На пример, стандарден начин за да се создаде античестичка во лабораторија е судир на протони со енергија >6 GeV, иако многу космички зраци ја надминуваат оваа енергија. Кога прости антиматеријални честички се создаваат во галаксијата преку овој процес, тие сеуште можат да поминуваат големи растојанија пристигнувајќи до Земјата, без притоа да бидат анихилирани од материјални честички со спротивен полнеж. Антипротоните пристигнуваат на Земјата со своја карактеристична енергија од максимум 2 GeV, што укажува на тоа дека тие се создаваат преку фундаментално различен процес од оној на кој се создаваат протоните. Во минатото, се верувало дела флуксот на космичките зраци останува константен со текот на времето. Скорешните истражувања за временски период од 4 илјади години укажуваат на докази дека флуксот се менува во временски интервал од 1,5 до 2 илјади години.

Регулација[уреди | уреди извор]

Флуксот на космички зраци кои навлегуваат во погорната Зњемјина атмосфера е регулиран со два процеси: Соларниот ветер и Земјиното магнетно поле. Соларниот ветер шири намагнетизирана плазма создадена од Сонцето, која ги успорува честичките кои надоаѓаат, како што и ги исфрла честичките со енергии помали од 1 GeV.Количината на Соларен верер не е константна, поради промените во Соларната активност за време на неговиот 11 годишен циклус(целиот магнетен циклус на Сонцето трае 22 години). Исто така и Земјиното магнетно поле одбива дел од космичките зраци, така што нивното набљудување зависи од геогравската должина и ширина како и од азимуталниот агол. Космичкиот фликс варира од исток на запад поради поларитетот на Земјиното геомагнетно поле и доминантноста на позитивниот полнеж кај примарните космички зраци.

Оваа модулација која ја опишува промената во меѓуѕвездениот интензитет на космичките зраци кои како што се рашируваат во хелиосферата им се менува интензитетот кој најмногу зависи од просторот. Ова е најдобро опишано во Паркеровата транспортна еквиваленција за хелиосферата. На големи радијални растојанија, далеку од Сонцето (~94 AU), постои област каде соларниот ветер преминува од област каде се шири со хиперзвучна брзина во област каде се движи со подзвучна брзина. Оваа област е наречена „завршен шок на соларниот ветер“. Областа помеѓу завршниот шок и хелиопаузата е наречена хелиоштит. Оваа област служи како бариера за космичките зраци, намалувајќи ја нивната енергија за околу 90%, значи не е само Земјиното магнетно поле што не штити од бомбардирање на космички зраци.

Од научна гледна точка, постои предизвик за одредување на спектарот на локалната меѓуѕвездена материја, поради големите адијабатски промени на енергијата на овие честички кои се должат на соларниор верер во хелиосферата. Како и да е , направен е значаен напредок во полето на космичките зраци со развојот на подробрен 2D нумерички метод кој вклучува симулација на сончевиот ветер. Постојат предизвици поради структурата на соларниот ветер и турбулентното магнетно поле во хелиоштитот кое не е добро проучено и разбрано, а исто така и самиот хелиоштит е поле кое не е доволно проучено.

Детекција[уреди | уреди извор]

Месечевата сенка од космички зраци, детектирана 700м под Земјината кора со помош на детекторот Судан 2
Месечината низ Комптоновата обсерваторија за гама зраци, која детектира гама зраци со енергија поголема од 20 МеV. Гама зраците се создаваат преку бомбардирање на Месечевата површина со космички заци.

Јадрата кои се составен дел на космичките зрацисе способни да патуваат од нивните далечни извори па се до Земјата заради малата густина на материјата во вселената.Јадрата силно реагираат со другата материја, па кога космичките зраци се приближуваат кон Земјата тие започнуваат да се судираат со јадрата од атмосферските гасови. Овие судири, познати како дожд од честички, резултираат со производство на на многу пиони и каони, нестабилни мезони кои брзо се распаѓаат на миони. Бидејќи мионите немаат силно заемнодејство со атмосферата, а исто така и поради релативитистичкиот ефект на временската дилатација многу од овие миони можат да пристигнат на Земјината површина, па дури и да продрат под површината на Земјината кора. Зрачењето на мионите ејонизирачко, па тие лесно можат да бидат детектирани од различни типови на детектори на честички како воздушни комори, балонски комори или сцинтилациони детектори. Ако неколку миони се детектирани од различни детектори во исто време, тогаш лесно може да се заклучи дека тие биле создадени со истиот бран на дожд на честички.

Интеракција со земјината атмосфера[уреди | уреди извор]

Кога честичките на космичките зраци навлегуваат во земјината атмосфера тие се судираат со молекулите на кислород и азот при што произведуваат група полесни честички при процес наречен дожд на честички. Главната идеја е прикажана на сликата каде што космички зрак произведува полесни честички при судир со атмосферските молекули.

Atmospheric Collision.svg

Оваа слика е поедноставена слика на дожд од честички: во реалноста бројот на честички кои се произведуваат на овој начин може да достигне билиони, во зависност од енергијата на зракот и атмосферската околина. Сите произведени честички се наоѓаат на околу еден степен разлика од патеката на главната енергетска честичка. Типични честички кои се произведуваат при вакви судири се мезони (позитивно и негативно наелектризирани пијони и кајони). Космичките зраци се исто така одговорни за производство на изотопи на јаглеродот во земјината атмосфера како што е изотопот на јаглеродот-14, преку реакцијата

Овие космички зраци го одржуваат нивото на јаглерод-14 во атмосферата скоро константно, околу 70 тони во изминатите 100 000 години. Така беше се до почетокот на нуклеарните тестирања во периодот од 1950 па наваму.

Производи при реакција на секундарни космички зраци со атмосферата и нивна стабилност
  • Трициум (12.3 a): 14N(n, 3H)12C (Spallation)
  • Берилиум-7 (53.3 d)
  • Берилиум-10 (1.6E6 a): 14N(n,p α)10Be (Spallation)
  • Јаглерод-14 (5730 a): 14N(n, p)14C (Neutron activation)
  • Натриум-22 (2.6 a)
  • Натриум-24 (15 h)
  • Магнезиум-28 (20.9 h)
  • Силициум-31 (2.6 h)
  • Силициум-32 (101 a)
  • Фосфор-32 (14.3 d)
  • Сулфур-35 (87.5 d)
  • Сулфур-38 (2.8 h)
  • Хлор-34 m (32 min)
  • Хлор-36 (3E5 a)
  • Хлор-38 (37.2 min)
  • Хлор-39 (56 min)
  • Аргон-39 (269 a)
  • Криптон-85 (10.7 a)

Истражувања и експерименти[уреди | уреди извор]

Постојат голем број на истражувања на космичките зраци. Тоа се:

Шаблон:Col-1-of-3

Шаблон:Col-2-of-3

Шаблон:Col-3-of-3

|}

Историја[уреди | уреди извор]

По откривањето на радиоактивноста од страна на Хенри Бекерел во 1896 се верувало дека атмосферската јонизација била предизвикана од радиоактивните елементи кои се наоѓаат на земјата поради испарување на радиоактивните гасови. Но мерењата на степенот на јонизација при различни висини покажал дека радиоактивноста се намалува со зголемување на надморската висина, но тоа се објаснувало преку абсорбирање на радијацијата од страна на атмосферските молекули.

Во 1909 Теодор Вулф развил посебен вид на електрометар (направа која го мерела производството на јони во внатрешноста на херметички затворен сад) и покажал дека на поголеми висини, во неговиот случај на врвот на Ајфеловата кула, степенот на радијација е значително помал. Тоа го објавил во Physikalische Zeitschrift но неговиот труд не бил прифатен од научната јавност. Во 1911 Доминико Пачини набљудувал симултани промени на јонизацијата над езеро, море и на длабочина од 3 метри под површината на земјата. Пачини заклучил дека намалувањето на радиоактивноста под вода мора да е поради абсорпцијата на молекулите а не поради земјината радиоактивност. Тогаш во 1912 Виктор Хес ги користел Вулфовите електрометри при што ги ставил во балон кој летал до погорните атмосферски слоеви. Тогаш открил дека со зголемувањето на висината се зголемува и степенот на радијација, но го исклучил Сонцето како извор на радијација бидејќи вршел истражување и за време на негово затемнување така што резултатот бил ист. Мерејќи ја брзината на честичките кои навлегувале во атмосферата Хес заклучил дека тие мора да потекнуваат од многу поодалечени извори на зрачење. Заради ова откритие ја добил Нобеловата награда за физика во 1936 година.

Изразот „Космички зраци“ бил употребен од Роберт Миликан кој докажал дека радијацијата не потекнува од земјата и не е произведена од атмосферски електрицитет. Миликан верувал дека космичките зраци се високо енергетски фотони придружени со електрони кои се произведени поради Комптоновиот ефект на гама зраци. И самиот Комптон верувал дека космичките зраци се наелектризирани честички. За време на периодот од 1927 до 1937 различни експерименти демонстрирале дека космичките зраци се позитивно наелектризирани честички и дека при навлегувањето во атмосферата главно се дезинтегрираат на електрони и миони. Мионот се верувало дека е нестабилна честичка кој ја предвидел Хидеки Јукава во 1935 година во неговата теорија за нуклеарна сила. Експериментите покажале дека остатоците од мионскиот распад кои опстануваат 2,2 микросекунди се претвораат во електрони и неутрина кои силно реагираат со јадрото на молекулите а резултатот на таа реакција се нарекува Јукава честичка. Оваа мистерија била разрешена со откритието на пионот во 1947 кој е произведен преку директни високоенергетски јадрени судири, а резултатот на тоа се миони и едно неутрино кое е стабилно 26 наносекунди. Секвенцата пион → мион → електрон директно била набљудувана преку електронски микроскоп, така што се набљудувале патеките на честичките низ посебен вид на фотографска плоча наречена нуклеарна емулзија. Во 1948 набљудувањата со нуклеарната емулзија направени во балони на големи висини, на работ на земјината атмосфера од страна Готлеб и Ван Ален покажале дека примарните космички честички се составени од протони, а одреден дел се алфа честички односно јадра на хелиум, а останатиот дел се јадра на потешки елементи

Референци[уреди | уреди извор]

  • R.G. Harrison and D.B. Stephenson, Detection of a galactic cosmic ray influence on clouds, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 07661, 2006 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-07661
  • C. D. Anderson and S. H. Neddermeyer, Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level, Phys. Rev 50, 263,(1936).
  • M. Boezio et al., Measurement of the flux of atmospheric muons with the CAPRICE94 apparatus, Phys. Rev. D 62, 032007, (2000).
  • R. Clay and B. Dawson, Cosmic Bullets, Allen & Unwin, 1997. ISBN 1-86448-204-4
  • T. K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990. ISBN 0-521-32667-2
  • P. K. F. Grieder, Cosmic Rays at Earth: Researcher’s Reference Manual and Data Book, Elsevier, 2001. ISBN 0-444-50710-8
  • A. M. Hillas, Cosmic Rays, Pergamon Press, Oxford, 1972 ISBN 0-08-016724-1
  • J. Kremer et al., Measurement of Ground-Level Muons at Two Geomagnetic Locations, Phys. Rev. Lett. 83, 4241, (1999).
  • S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles, Phys. Rev. 51, 844, (1937).
  • M. D. Ngobeni and M. S. Potgieter, Cosmic ray anisotropies in the outer heliosphere, Advances in Space Research, 2007.
  • M. D. Ngobeni, Aspects of the modulation of cosmic rays in the outer heliosphere, M.Sc Dissertation, Northwest University (Potchefstroom campus) South Africa 2006.
  • D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003. ISBN 0-19-850951-0
  • C. E. Rolfs and S. R. William, Cauldrons in the Cosmos, The University of Chicago Press, 1988. ISBN 0-226-72456-5
  • B. B. Rossi, Cosmic Rays, McGraw-Hill, New York, 1964.
  • Martin Walt, Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation, 1994. ISBN 0-521-43143-3
  • M. Taylor and M. Molla, Towards a unified source-propagation model of cosmic rays, Pub. Astron. Soc. Pac. 424, 98 (2010).
  • J. F. Ziegler, The Background In Detectors Caused By Sea Level Cosmic Rays, Nuclear Instruments and Methods 191, 419, (1981).
  • TRACER Long Duration Balloon Project: the largest cosmic ray detector launched on balloons.
  • HiRes Fly's Eye
  • Carlson, Per; De Angelis, Alessandro. Nationalism and internationalism in science: the case of the discovery of cosmic rays. „European Physical Journal H“. doi:10.1140/epjh/e2011-10033-6. Bibcode2010EPJH...35..309C.