Kosmische straling
'How do cosmic accelerators work and what are they accelerating?'
Kosmische straling is de deeltjes- en fotonenregen uit het heelal die onophoudelijk de aardse atmosfeer binnendringt. Het verhaal van de ontdekking van kosmische straling voert terug tot het begin van de twintigste eeuw, kort na de ontdekking van radioactieve straling.
Theodor Wulf, een Duitse jezuïet, bouwde een elektroscoop waarmee de intensiteit van straling nauwkeurig bepaald kon worden. Hij gebruikte het instrument om een theorie te toetsen: de theorie dat natuurlijke achtergrondstraling afkomstig is van radioactieve mineralen in de aardkorst. Metingen in mergelgrotten in Limburg leidden tot een verrassing. Wulf vond een aanzienlijke afname in de intensiteit. Hij leidde hieruit af dat de straling mogelijk van boven moest komen. Wulf's metingen op de top van de Eiffeltoren konden deze hypothese helaas niet bevestigen.
In 1911 lukte dit een jonge, Oostenrijkse fysicus wel. In een reeks vluchten met een luchtballon, waarbij hij een hoogte van bijna 6 km bereikte, mat Victor Hess de stralingsintensiteit met een van Wulf's elektrometers. Vanaf ongeveer 4000 m bleek dat met het stijgen van de ballon ook de mate van ionisatie toenam. Hij toonde hiermee aan dat het ioniserende straling betrof die van boven afkomstig was. Vijfentwintig jaar later kreeg Hess de Nobelprijs voor zijn bevindingen.
Hoewel er inmiddels al bijna honderd jaar onderzoek wordt gedaan, zijn de nevelen rondom het fenomeen kosmische straling slechts ten dele opgetrokken…
Deeltjeslawine
- Schematische weergave van de ontwikkeling van een deeltjeslawine ("cosmic-ray air shower"). Het kosmische deeltje is hier een ijzerkern.
Bij de botsing van een hoogenergetisch kosmisch deeltje op atoomkernen in de atmosfeer worden nieuwe deeltjes gemaakt. Deze nieuwe deeltjes bewegen in dezelfde richting als het primaire deeltje; botsen vervolgens waarbij weer nieuwe deeltjes ontstaan. Dit leidt dus tot een kettingreactie waarin een cascade van secundaire en een grote hoeveelheid daarvan afgeleide deeltjes ontstaat. Bij toenemende multipliciteit wordt een pannenkoek gevormd die allengs in omvang toeneemt: de lawine ('shower'). Alle deeltjes, die in zo'n lawine naar beneden komen, bewegen met bijna de lichtsnelheid.
De figuur illustreert het ontstaan van zo'n shower. Hadronische deeltjes (zoals o.a. protonen en neutronen) wisselwerken en produceren nieuwe hadronische deeltjes, waaronder pionen. Sommige van de nieuw gevormde deeltjes zijn instabiel en vallen na enige tijd spontaan uiteen in lichtere deeltjes. Zo ontstaat een groot aantal muonen via pionverval. Een deel van deze muonen vervalt in elektronen. Fotonen en elektronen/positronen kunnen regenereren in een elektromagnetische cascade.
Zolang de energie van de deeltjes hoog genoeg is om nieuwe te maken, blijft de lawine groeien door inelastische botsingen. Daarna zijn er alleen nog elastische verstrooiingsprocessen en neemt het aantal deeltjes lager in de atmosfeer af.
Het grootste deel van de energie van het primaire deeltje wordt geabsorbeerd in de atmosfeer. Een beperkt deel bereikt het aardoppervlak. Het zijn vooral muonen die het aardoppervlak bereiken!