Kosmische straling detectie op het Comenius College
(samenwerking met HISPARC)
1. Wat is kosmische straling
Al in 1912 ontdekte Victor Hess dat er snel bewegende deeltjes uit de ruimte de aarde treffen. In een ballon vond hij dat de intensiteit van de straling toenam met de hoogte. Dus was zijn conclusie dat deze staling uit de ruimte kwam. In de jaren daarna ontdekte men dat deze snelle geladen deeltjes in onze atmosfeer botsen met deeljes uit de dampkring en produceren zo een "lawine" van andere deletjes. Men noemt dit een "shower" De deeljes die deze showers veroorzaken kunnen protonen of kernen van atomen zijn. Hoe hoger de energie van het deeltje, des te krachtiger en groter is de shower. Deze showers kan men op aarde meten. De energie van de kosmische straling varieert van 109 tot 1020eV ( de eV, electronvolt ,is een eenheid van energie, nl. 1,6.10-19 J).
2. De oorsprong van kosmische straling
De vraag is nu waar deze deeeljes vandaan komen, in het bijzonder de deeltjes met de hoge energie . Een supernova uitbarsting in ons melkwegstelsel kan een kandidaat zijn. Maar de zeer energierijke deeltjes (deze zijn interessant voor de wetenschappers) komen waarschijnlijk van buiten ons melkwegstelsel tot op een afstand van 150 miljoen lichtjaar. Deze bovengrens ontstaat omdat deeljes met een zeer hoge energie op hun weg naar de aarde doorlopend energie verliezen aan de omgeving ( aan de wisselwerking met de kosmische achtergrond straling). Men noemt dit de GZK cutoff. Hieronder zie je de verdeling van de hoeveelheid deeljes die de aarde treft tegen de energie
Welke objecten buiten ons melkwegstelsel kunnen voor zo'n krachtige versnelling van deze deeltjes zorgen? (Zelfs een hieper-nova uitbasting komt niet in aanmerking). Het is dan van belang dat je door metingen te weten komt uit welke richting de deeltjes komen (of niet uit een bepaalde richting) Misschien vindt men zo de oorsprong van deze deeltjes.
3. Mogelijke kandidaten voor de hoge energie deeltjes.
Eens per eeuw per km2 wordt de aarde getroffen door een enorme "shower" veroorzaakt door een proton met een energie van ongeveer 1020 eV.In onderstaande figuur zie je de tot nu toe gevonden waarnemingen:
A. Elliptische melkwegstelsels met "pensioen" ?
Op dit moment vermoedt men dat de hoog-energetische deeltjes uit "oude" elliptische (quasar)melkwegstelsels komen, waar in het centrum een super-zwaar roterend zwart gat zich bevindt. Hieronder zie je twee opnamen van zo'n stelsel.
NGC4589
Kort geleden (22 april 2002) heeft men 4 elliptische stelsels weten te lokaliseren in de Grote Beer die allen een superzwaar zwart gat in het centrum hebben (massa meer dan 100 miljoen zonmassa's) en mogelijk in staat zijn de hoog energetische deeltjes te produceren die wij waarnemen op aarde! Het zijn quasar-stelsels die miljarden jaren na hun ontstaan in de "eindfase" van hun leven komen . Het steeds compacter wordende zwartegat treedt op als een "kosmische dynamo" die geladen deeltjes met ontzagwekkende energie de ruimte in slingeren. Toch is het nog lang niet zeker dat deze deeltjes uit deze stelsels komen. Er zal veel meer onderzoek gedaan moeten worden.
B. Sterke Extragalactische magnetische velden?
Het zou ook kunnen dat de hoog energetische protonen toch uit een dichterbij gelegen object komen, nl het 100 miljoen lj verwijderde stelsel M87, die een actieve kern heeft. De deeljes hebben dan ook een minder grote afstand afgelegd, hebben dus minder energie verloren en hoeft de "kosmische dynamo" niet zo sterk te zijn geweest. Wanneer men nu aanneemt dat het magneetveld tussen de sterrenstelsels toch groter is men verwachtte, dan kan het ook gebeuren dat de protonen worden afgebogen door dit veld en het dus lijkt alsof ze uit verschillende richtingen komen. Hieronder zie je een opname van de M87, waarbij duidelijk een "jet" te zien is. Zo'n "jet" wordt getriggerd door een zwart gat
Hieronder zie je nog een ander voorbeeld van zo'n jet:
De Hubble telescoop heeft een detail-opname gemaakt van de kern waar zo'n jet ontstaat, de NGC4261:
De foto rechts heeft een afmeting van "slechts" 400 lj.! In het centrum van de "donut" ligt het zwarte gat en is mogelijk een bron van de hoog-energetische protonen.
C. Overblijfselen van topologische defecten?
Kosmische strings zijn zijn overblijfselen uit het vroege begin van het heelal (zie lesblok 5 van COSCOM). Het worden ook wel topologische defecten genoemd. Dit is met een voorbeeld uit onze wereld te vergelijken: wanneer in de winter op een koude dag het oppervlak van een vijver begint te bevriezen, dan zal op verschillende plekken zich ijs beginnen te vormen (fase overgang). Deze groeiende platen hebben vaak een mooie kristal struktuur. Wanneer deze groeiende platen ijs bijelkaar komen , ontstaan er naden die zig-zag over het oppervlak van de vijver zullen lopen. Deze naden zijn topologische verstoringen van de mooie kristalstructuur: de verschillen kristalstrukturen passen natuurlijk niet. Net zoals bij water de afkoeling deze ijs structuur veroorzaakt, zo zal bij het afkoelen van het heelal (door de uitzetting) in het vroege begin er ook topologische defecten optreden. Oer-materiaal onderging op verschillende plekken ook fase overgangen. Wanneer deze verschillende gebieden bij elkaar kwanen, ontstonden de topologische defecten.
Dit oer-materiaal bestond in feite uit verschillende energie-velden , want de deeltjes waren nog niet gevormd zo vroeg in de ontwikkeling van het heelal. Een van deze energie velden was het Higgs-veld, een merkwaardig veld, dat ook nu nog in het vacuum "verborgen" zit. Met de nieuwe versneller in Geneve (CERN) hoopt men dit "deeltje" te zien. in het vacuum.Kosmologen denken nu dat topologische defecten van dit Higgs-veld , gevormd vroeg in het begin, nu nog verantwoordelijk kunnen zijn van b.v de hoog-energetische kosmische straling die we waarnemen op aarde. Men noemt deze defecten dus KOSMISCHE STRINGS. Hoe zien deze er uit?
D. Signaal vanuit hogere dimensies?
E. Neutrino wisselwerking?
F. Science fiction?
Misschien zou men in de toekomst uit deze deeljes informatie kunnen halen die wijzen op een buitenaardse beschaving! Men vermoedt reeds lang dat om super-zware gaten hoog ontwikkelde beschavingen kunnen zitten. Elementaire deeltjes die vanuit deze plek worden uitgezonden, blijven quantum-mechanisch verbonden met deeljes die op die plek blijven. Op deze manier zou men informatie kunnen uitwisselen tussen de twee gebieden die sneller gaat dat het licht. Dit is een verschijnsel dat kort geleden in laboratoria is aangetoond. Het is een verschijnsel dat niet past in onze theorieen van de elementaire deeltjes( de quantum mechanica). Misschien zijn deze protonen wel onderdeel van een zgn. EPR-device van de hoog ontwikkelde beschaving. Op de site EPR-device vindt je wat meer informatie over dit onderwerp.
4. Detectie met scintillatie-tellers
[parallel project in Nijmegen: NAHSA ]
Men kan op verschillende manieren de straling meten. Hieronder zie je de verschillende methoden.
We gaan hier alleen de scintillatie-teller behandelen .
Voor detectie van de hoog energetische straling is het noodzakelijk om op een oppervlakte van 100 km2 of meer.