Promieniowanie Kosmiczne

Promieniowanie Kosmiczne.
Dosyć wcześnie, bo już w 1901 roku stwierdzono, ze
promieniowanie pochodzi również z Kosmosu i promieniowanie to nazwano
„Promieniowaniem Kosmicznym”. Wiemy dzisiaj, że promieniowanie
kosmiczne dzieli się na pierwotne i wtórne. Gdybyście się schowali to
promieniowanie pierwotne i tak was dojdzie. Promieniowanie pierwotne
(więcej niż wiele GeV) składa się głównie z protonów, ale cięższych jąder
też o olbrzymiej energii rzędu TeV i więcej. Te protony i inne elementy o
olbrzymich energiach dochodzą do nas z różnych kierunków tak, że żaden
z kierunków nie jest wyróżniony. To jest bardzo ciekawym faktem i nie
umiemy go jak dotychczas dobrze wytłumaczyć. Z badaniami promieni
kosmicznych związane są takie nazwiska jak Roberta Millikana, Victora
Hessa, Yukawy Hedeki, Cecila Powella i Patricka Blacketta. Wszyscy oni
dostali nagrody Nobla. Przyczyniły bardzo się do tych badań balony i rakiety
balistyczne. Promieniowanie kosmiczne wtórne to cząstki , wszelkiego
rodzaju mezony oraz cząstki cięższe od protonu, czyli hadrony. Na
następnym rysunku 18 pokazane jest jak wysokość wpływa na składową
pierwotną i na składową wtórną promieniowania kosmicznego. Widzimy z
tej obserwacji, ze prawie wszystko promieniowanie wtórne powstaje na
wysokości około 20 km, tam gdzie nasza atmosfera jest już wystarczająco
gęsta.
Rys. 18.
Przy okazji podam bardzo dziwną rzecz, jaka istnieje z jednym z
mezonów a mianowicie z mezonem oznaczonym poprzez
±-
µ. Wszystkie
cząstki wtórne powstają w naszej atmosferze na wysokości około 20 km i
mezony te, które rozpadają się na ± elektrony i oczywiście neutrina, żyją
około 2 s. Mają one energię, około 10 GeV, czyli poruszają się z bardzo
dużą prędkością. Ta prędkość zależy oczywiście od ich energii i przy
energiach rzędu 10 GeV jest tylko troszeczkę mniejsza od prędkości
światła. Przy takich czasach życia (2 s) mezon ten nie powinien być
obserwowany na ziemi. Tak zwana Einsteinowska dylatacja czasu
(wydłużenie czasu), odpowiednik skrócenia długości, mierzonej w układzie,
względem, którego mierzona długość nie jest w spoczynku, jest około 100
razy większa niż w układzie spoczynkowym. To wydłużenie czasowe
pozwala te mezony obserwować na ziemi. Normalnie powinny one
przelecieć drogę tylko kilkuset metrów. Za masę mezonu przyjmujemy
około 200 mas elektronowych (206,9 me). Dzięki temu obserwację
miuonów, czyli mezonów pozwalają na bezpośrednie potwierdzenie
jednego z podstawowego wyniku ogólnej teorii względności Einsteina.
Jeszcze przed wojną Yukawa wysunął hipotezę, że silne powiązanie
nukleonów w jądrze atomowym, wywołane są wymianą pomiędzy sobą
hipotetycznej wówczas cząstki Yukawy. Dzisiaj cząstkę znaleziono i
zidentyfikowano jako mezon . Jest to tak jakby dwaj partnerzy wymieniali
pomiędzy sobą piłeczkę i tak długo by byli związani ze sobą jak długo by
grali. Yukawa dostał nagrodę Nobla w 1949 roku. Później było trochę
kłopotu z jego teorią, ale to w niczym nie umniejsza jego osiągnięcia.
Promieniowanie wtórne podzielić możemy na składową twardą i na
składową miękką. Składową miękką stanowią elektrony i kwanty γ, będące
falą elektromagnetyczną podobną do światła tylko krótszą. Składową
twardą stanowią wszelkiego rodzaju mezony, a więc „cząsteczki” cięższe
od elektronu, ale mniejsze od protonu. Są to wg dzisiejszej nomenklatury,
piony , miuony, kaony oraz cząstki cięższe od protonu tzn. hadrony. Te
cząstki można powiązać z qwarkami (porównaj rozdział „Reakcje jądrowe”)
i można je otrzymać w wielkich „przyśpieszaczach” cząstek elementarnych.
Kaony są cięższe od mezonów, ale te cząstki są lżejsze od protonów. Te
„dziwne” kaony żyją bardzo krótko, ale dłużej od mezonów. Piony 0 i piony
±
 rozpadają się na 2 kwanty  i na ±
rozdział o „Neutrino”) te niesamowicie dziwne cząstki nie są takie same w
rozpadach elektronowych, miuonowych czy kaonowych.
Atomy a właściwie ich jądra mogą schwytać mezony ujemne (-) i
utworzyć tzn. mezo-atomy. Mogą w tym stanie przebywać stosukowo długo
jak na warunki jądrowe, bo do mikrosekundy.
Bardzo ważną rolę w badaniach promieniowania kosmicznego
odegrały
specjalne
klisze
fotograficzne.
Dużą
też
rolę
odegrało
wprowadzenie już w latach trzydziestych układów koincydencyjnych, czyli
układów rejestrujących kilka takich samych przypadków. Dzisiaj te układy
zostały bardzo unowocześnione.
W obszarach gdzie nie sięga pole magnetyczne ziemi (około 14
promieni ziemskich) strumień cząstek elementarnych promieniowania
kosmicznego pierwotnego jest stały i sięga około 2 x 104 cząstek na metr
kwadratowy i na sekundę. Te cząstki o olbrzymich energiach (1000GeV)
dochodzą do nas ze wszystkich kierunków. Bliżej zaś ziemi, mają silnie
charakter geomagnetyczny gdzie pole magnetyczne ziemi ma już wpływ na
nie.
Klisze fotograficzne są specjalnie robione i są przede wszystkim
bardzo grube. Wzdłuż toru cząstki po wywołaniu i po utrwaleniu emulsji
pojawiają się ziarna srebra i tym to sposobem można obserwować ślady
cząstki przechodzącej poprzez emulsję. Gruba warstwa emulsji zachowuje
się podobnie jak komora Wilsona (porównaj rozdział „Reakcje jądrowe”).
Fotografia 2 pokazuje taki zestaw klisz fotograficznych w zależności od
jąder, które powstają (im grubszy ślad tym większe jądro).
Fot. 2.
Cząstki o masie pośredniej pomiędzy protonami i protonem,
nazywamy mezonami. Elektrony, miuony i neutrina nazywamy dzisiaj
leptonami Cząstki o masie równej i cięższej od protonu, nazywamy
barionami. Wśród barionów wyróżniamy hiperony cząstki, czyli stosunkowo
trwałe (10-10s) i nietrwałe tzw. izobary, będące rezonansami barionowymi.
Oczywiście mezonom (w tym kaonom lub mezonom K) i barionom
nadajemy wspólną nazwę hadronów.
Znamy dzisiaj cztery rodzaje oddziaływań. W nuklidach zasadniczą
rolę odgrywają tzw. oddziaływania silne. W oddziaływaniach tych
zasadniczą rolę odgrywają piony. Oddziaływanie silne mają zasięg
porównywalny do wymiarów nuklidów, a więc rzędu 1 fm i są to siły tzw.
krótkiego zasięgu. Reakcje związane z oddziaływaniami silnymi są
reakcjami szybkimi (rzędu 10-23 s. Są to czasy tzw. rezonansów.
Drugi typ oddziaływań to tzw. oddziaływania elektromagnetyczne.
Są one słabsze od oddziaływań silnych około 106 razy. Naładowane cząstki
oddziaływają na siebie za pomocą pola elektromagnetycznego. Teoria
kwantowa tego pola – elektrodynamika kwantowa należy do najbardziej
rozwiniętych
działów
fizyki
teoretycznej.
Czasy
oddziaływania
elektromagnetycznego są trochę dłuższe niż w oddziaływaniu silnym i
wynoszą rzędu 10-20 s. Takiego rzędu czasy obserwujemy dla rozpadu
pionu 0 i niektórych hiperonów 0 lub 0. Do reakcji związanych z
oddziaływaniami elektromagnetycznymi zaliczyć można oddziaływania
kulombowskie, hamowanie przez emisję promieniowania , promieniowanie
Czerenkowa, fotoefekt czy tworzenie się par elektron-pozyton. Fotoefektem
nazywamy wyrzuceniem elektronów pod wpływem światła czy też promieni
.
Trzecim rodzajem oddziaływania jest tzw. oddziaływanie słabe.
Typową reakcją, związaną z tego typu oddziaływań jest przemiana ±, bądź
też wychwyt k. Należą tutaj również procesy tego rodzaju, jak rozpady
pionów ±, rozpady kaonów czy hiperonów i rozpad miuonu. Należy się
spodziewać czasów oddziaływań rzędu 10-10 s, a więc znacznie dłuższe od
czasów oddziaływań silnych. Oddziaływania są rzędu 106 razy słabsze od
oddziaływań elektromagnetycznych. Tego rzędu są średnie oddziaływania
pionów, kaonów czy hiperonów.
Czwartą i ostatnią grupą oddziaływań są tzw. oddziaływania
grawitacyjne. Są to oddziaływania bardzo słabe. Ciągle poszukujemy
grawitronu, „cząsteczki” odpowiedzialnej za siły grawitacyjne.
Klasę dla siebie stanowi foton (światło lub kwant ). Jest to cząstka
charakterystyczna dla pola elektromagnetycznego. Foton jest identyczny ze
swoją antycząstką.
Jest jeszcze teoria „String”, która ma powiązać ze sobą cztery
podstawowe oddziaływania. Pod koniec XX wieku, ta teoria nie zdała
egzaminu i dlatego nie będę jej tutaj przytaczał.