2. Kosmické záření
Záření dopadající z kosmického prostoru
Sehrálo důležitou úlohu při vzniku fyziky elementárních
částic – pozitron, mion, mezon
1925-1950 – jediný zdroj částic o energiích 1020 eV vyšších
než poskytovaly tehdejší urychlovače
Hustota toku kosmického záření je asi 103 m-2sr -1s-1
Soudobé urychlovače umožňují zkoumat interakce
při energiích 1,5 1014 eV s hustotou toku 1030 m-2s -1 částic
3. Primární kosmické záření
Pozoruje se za hranicemi zemské atmosféry
Z protonů, částic , příměsi jader Z 41, jednoho
procenta fotonů a stejného množství elektronů
Pro větší energie částic roste zastoupení prvků s velkými Z
a klesá zastoupení protonů
4. Minimální energie nabité částice závisí na zeměpisné
šířce: E 1,9 1010 cos 4 eV
Částice primárního záření se sráží
s atomy – z obalů vyráženy elektrony,
z jader nukleony a vznikají i další
částice – soubor všech těchto částic
se nazývá sekundární kosmické
záření
5. Sekundární kosmické záření
Dělení dvojím způsobem:
Podle absorpce v látkách
Podle složení z jader a elementárních částic
Podle absorpce v látkách
Měříme např. počet částic před průchodem a po průchodu
absorbátorem o dané tloušťce
Zprvu rychlý pokles hustoty toku prošlého záření s rostoucí
tloušťkou, po dosažení kritické tloušťky se pokles zmírní
Měkká složka x tvrdá, či pronikavá složka
6. Podle složení z jader a elementárních částic
Protony ztrácí svou energii – srážkami s elektrony v obalech atomů a
srážkami s atomovými jádry
Při srážce protonu s jádry vznikají nabité částice (mezony ,
protony) a neutrální částice (neutrony, mezony )
0
Neutrony jsou absorbovány jádry dusíku.
Mezony se rozpadají na dva fotony – počátek elmag. kaskády:
0
I.
V poli atomových jader konvertují na pár elektron, pozitron
0
a následně mohou vyzářit brzdný foton
Z Z e e
který, pokud má dostatek energie, opět konvertuje .
e Z e Z
7. Při brzdném záření a tvoření párů se energie rozdělí na dvě přibližně
stejné energie sekundárních částic.
Zmenšování energie jednotlivých částic v kaskádě probíhá poměrně
pomalu, počet částic roste lavinově. Jakmile energie klesne, částice
se začnou pohlcovat v obalech atomů a molekul.
Počet částic v kaskádě závisí na energii primární částice
(pro energii 1015 eV lze částice kaskády zaznamenat na rozloze i
několika set metrů čtverečních)
Fotony, elektrony a pozitrony tvoří měkkou složku –
elektronová komponenta
Podobně jsou na tom kaskády vyvolány nukleony a nabitými
mezony – kaskády jsou vytvářeny hl. silnými interakcemi částic
Postupují v poměrně úzkém válci – jaderná aktivní složka
8. Na úrovni moře pak detekujeme především miony, které
vznikly rozpadem mezonů :
,
Miony interagují s látkou elektromagneticky a slabě,
mohou pronikat pod povrch Země
Tvrdá, pronikavá složka: vysokoenergetické miony, jaderná aktivní
komponenta
Měkká složka: nízkoenergetické protony, piony, elektronová
komponenta
10. Některé nesprávné hypotézy vzniku kosmického záření:
Při velkém třesku – produkoval se pouze vodík
Ze starých hvězd – podíl těžkých kovů by musel být větší
Vzplanutím supernovy – hustota kosmického záření zůstává
konstantní po celou poslední miliardu let
Ze slunečních skvrn, kdy jsou vysílány nabité částice – jejich
energie však nepřesahuje 10 GeV
E. Fermi: částice se sráží s mezihvězdnou hmotou , s oblaky
zmagnetovaného plynu a urychluje se či zpomaluje –
nehodí se pro urychlování těžkých částic a je v rozporu s
údaji o rychlosti mezihvězdných mračen
Částice nezískávají energii spojitě, ale najednou v pulsarech
nebo za výbuchu supernov – nestačí, aby vysvětlily existenci
kosmického záření o nejvyšších energiích
11. Detekce kosmického záření
Částice primárního kosmického záření se registrují pomocí
detektorů umístěných v balónech nebo na umělých
družicích
Problém detekce u částic s vysokou energií
Detekce pomocí záření
20
Při urychlování nabitých částic na energie 10 eV dochází
k vyzáření fotonů s energií stejného řádu. Fotony pak
interagují s atomy a vytváří elmag. kaskády
12. Dvě metody detekce:
1. Zaznamenávají se sekundární částice elmag. kaskády –
pozemními detektory na soustředných kružnicích
na ploše i několika set m 2 .
2. Detekuje se Čerenkovovo záření vysílané nabitými
částicemi elmag. kaskády - fluorescenčními detektory
13. Pozemní detektory
Vhodné pro fotony s energií E 10 eV
15
Úhlové rozlišení: 4
Neomezená pozorovací doba
Vidí pouze část kaskády
Fluorescenční detektory
12
Umožňují snížit energii až na 10 eV
Úhlové rozlišení až 0,25
Pozorování pouze za bezměsíčných jasných nocí
Vidí celou kaskádu a tedy i její průběh
Ani jedna z metod nemůže stanovit primární částici, zda to
byl vysokoenergetický foton, či nějaká nabitá částice, jejíž
rozložení by bylo izotropní
- vede ke studiu anizotropních elmag. kaskád – velmi
náročná a zdlouhavá analýza
