Космичко зрачење

Koсмички зраци — субатомски честички со енергетски полнеж кои потекнуваат од вселената. Тие може 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 сè уште предмет на истражувања.

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 честички можат да се создадат со јадрените процеси во Сонцето (како и во другите ѕвезди), но и во некои досега неистражени процеси коишто 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 таканаречени космогенско стабилни изотопи и некои радиоизотопи на Земјата, како јаглерод-14. Во историјата на физиката на честички, 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 екстрасончеви 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 сончевите 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 јадрена 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 Сончевата 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, титан, 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 теоријата 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 сè уште 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: Сончевиот ветер и Земјиното магнетно поле. Сончевиот 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 Сончев верер не е константна, поради промените во Сончевата 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 географската должина и ширина како и од азимутскиот 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 сончевиот 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 сончевиот 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 сончевиор верер во хелиосферата. Како и да е, направен е значаен напредок во полето на космичките зраци со развојот на подробрен 2Д бројчен метод кој вклучува симулација на сончевиот ветер. Постојат предизвици поради структурата на сончевиот 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.

Утврдување

Јадрата кои се составен дел на космичките зрацисе способни да патуваат од нивните далечни извори па сè 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 многу пиони и каони, нестабилни мезони кои брзо се распаѓаат на миони. Бидејќи мионите немаат силно заемодејство 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

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.

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

$n+\mathrm {N} ^{14}\rightarrow p+\mathrm {C} ^{14}$

Овие космички зраци го одржуваат нивото на јаглерод-14 во атмосферата скоро константно, околу 70 тони во изминатите 100 000 години. Така беше сè до почетокот на јадрените 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

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

Предлошка:Col-1-of-3

Експерименти на земјата

Предлошка:Col-2-of-3

Експерименти со помош на сателити

Предлошка:Col-3-of-3

Експерименти со Балонски комори

|}

Историја

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 апсорбирање на зрачењето 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 зрачење 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 апсорпцијата 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 зрачење, но го исклучил Сонцето како извор на зрачење 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 зрачењето 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 јадрена 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 јадрена емулзија. Во 1948 набљудувањата со јадрената 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

Наводи

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 (2011). „Nationalism and internationalism in science: the case of the discovery of cosmic rays“. European Physical Journal H. Bibcode:2010EPJH...35..309C. doi:10.1140/epjh/e2011-10033-6.