Космичко зрачење

Koсмичките зраци се субатомски честички со енергетски полнеѓ 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

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

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 хиперсонична брзина во област каде се движи со субсонична 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

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.