• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Uczeni zbadali widmowe kolana i rozwiązali zagadkę sprzed półwiecza

    27.10.2011. 00:25
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    W międzynarodowym projekcie KASCADE-Grande, w którym uczestniczyli m.in. Polacy, zbadano problem widmowych "kolan" i rozstrzygnięto, dlaczego ze wzrostem energii w promieniowaniu kosmicznym zaczyna raptownie ubywać pewnych typów cząstek. Naukowcy szukali odpowiedzi na to pytanie od ponad pół wieku.

    Jak w przesłanym PAP komunikacie poinformował dr Marek Pawłowski, rzecznik Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku (NCBJ), do tej pory powstały dwie teorie astrofizyczne tłumaczące, dlaczego pewnych cząstek w promieniowaniu kosmicznym jest coraz mniej ze wzrostem energii. Ale dopiero badania w ramach projektu KASCADE-Grande, dały odpowiedź, która z tych teorii jest prawidłowa. W pracach zespołu uczestniczyli m.in. naukowcy z NCBJ. Przełomowe wyniki badań właśnie opublikowano w prestiżowym czasopiśmie "Physical Review Letters".

     

    Wyniki z projektu KASCADE-Grande ostatecznie potwierdzają poprawność modeli opisujących pochodzenie i zachowanie galaktycznego promieniowania kosmicznego w zależności od ładunku jego cząstek (liczby protonów w jądrze), a nie od masy jądra (jego liczby protonów i neutronów). Informacja ta pozwoli lepiej modelować procesy przyspieszania i propagacji pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach.

    Jak przypomniał dr Pawłowski, pół wieku temu zauważono, że promieniowanie kosmiczne docierające do naszej planety wykazuje osobliwą cechę. "Gdy zaczynamy zliczać cząstki kosmiczne o coraz większych energiach, powyżej pewnej wartości energii ich liczba zaczyna maleć zdecydowanie szybciej - stwierdził prof. Janusz Zabierowski z NCBJ, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i przewodniczący zarządzającego eksperymentem Rady Współpracy KASCADE-Grande. - Efekt powoduje, że na odpowiednim wykresie widma energetycznego widać załamanie przypominające kształtem kolano". Natura tego kosmicznego "kolana" pozostawała przez długi czas niezrozumiała.

    Promieniowanie docierające do Ziemi z kosmosu składa się głównie z protonów (jąder wodoru). Zaledwie co siódma-ósma cząstka to jądro helu, a co setna - elektron lub jądro pierwiastka o liczbie atomowej większej od 3. Im większa energia cząstek, tym ich mniej: dziesięciokrotny wzrost energii wiąże się z tysiąckrotnym zredukowaniem liczby cząstek.

    Strumień cząstek promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy aparatury na satelitach. Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek, nierzadko pokrywająca obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa.

    Detektor KASCADE-Grande może rejestrować takie wielkie pęki atmosferyczne. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), składa się z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 700 m. KASCADE-Grande może rejestrować nawet pęki atmosferyczne o energiach od 10^16 do 10^18 elektronowoltów (dla porównania: fotony światła widzialnego mają energie liczone w pojedynczych elektronowoltach).

    Pięć lat temu naukowcy odkryli, że gdy energia cząstek promieniowania kosmicznego zaczyna sięgać milionów miliardów (10^15) elektronowoltów i wchodzi w obszar "kolana", w strumieniu docierającym z głębi kosmosu gwałtownie zmniejsza się liczba lekkich jąder. Duże "kolano" okazało się zawierać małe. Dopiero za jego pomocą dało się zbadać niedostępny wcześniej pomiarom cały zakres energii promieniowania kosmicznego objętego "kolanem".

    Zakończona kilka tygodni temu analiza danych z sieci detektorów KASCADE-Grande potwierdziła istnienie w obrębie "kolana" następnego załamania, spowodowanego w sposób nie pozostawiający wątpliwości malejącym strumieniem jąder ciężkich. Nowe "kolano" pojawia się przy energii setek milionów miliardów (10^17) elektronowoltów, dokładnie tam, gdzie według jednej z teorii astrofizycznych z promieniowania kosmicznego powinny znikać jądra żelaza.

    "Projekty KASCADE i KASCADE-Grande pokazały, że w rejonie dotychczasowego +kolana+ mamy do czynienia nie z jednym, a z wieloma załamaniami w widmach poszczególnych jąder pierwiastków promieniowania kosmicznego, poczynając od najlżejszego, wodoru, poprzez coraz cięższe w miarę wzrostu energii, aż do jąder żelaza. Kosmiczne +kolano+ okazało się kosmicznym kankanem" - skomentował prof. Zabierowski.

    Projekt KASCADE-Grande jest prowadzony przez dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec, Norwegii, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch.

    NCBJ (wcześniej jako Instytut Problemów Jądrowych - IPJ) bierze udział w projekcie od 1989 roku. W łódzkim oddziale IPJ zaprojektowano i wykonano m.in. kompletną elektronikę głównego trygera projektu KASCADE, obejmującą ponad 100 bloków z programowalnymi układami elektronicznymi służącymi do wyszukiwania i zapisywania najciekawszych zdarzeń. IPJ również zaprojektował i wykonał prototypy tych urządzeń oraz oprogramowanie, za pomocą którego w Karlsruhe wyprodukowano niemal 760 płyt z elektroniką do obsługi prawie 25 tys. kanałów detektora śladowego mionów.

    Część eksperymentalna projektu KASCADE-Grande zakończyła się w marcu 2009 roku. Zebrane dane obejmują ponad 1 tys. dni obserwacyjnych i są wciąż analizowane, dostarczając nowych informacji o naturze wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.

    PAP - Nauka w Polsce

    lt/ agt/


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Detektor cząstek elementarnych jest szczególnym przypadkiem detektora promieniowania jądrowego, służącym do wykrywania obecności i badania własności indywidualnych cząstek elementarnych o wysokich energiach, z reguły przekraczających kilka MeV. Najczęściej detektory cząstek elementarnych wykorzystywane są do detekcji produktów zderzeń cząstek rozpędzonych w akceleratorze lub pochodzących z promieniowania kosmicznego. Promieniowanie kosmiczne – promieniowanie złożone, zarówno korpuskularne jak i elektromagnetyczne, docierające do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne. Kosmotron, to popularna nazwa synchrotronu protonowego, czyli akceleratora cząstek, zbudowanego w Brookhaven National Laboratory (Long Island, USA) w roku 1948. Pełną energię przyspieszanych cząstek uzyskał w 1953 roku, pracował do 1968 roku. Był pierwszym akceleratorem, który przyspieszał protony do energii 3 GeV. Nazwa nawiązująca do kosmosu wzięła się stąd, że urządzenie to dało jako pierwsze możliwość przeprowadzania i badania reakcji jądrowych wywołanych przez cząstki o energiach zbliżonych do energii pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony o tak dużej energii zderzane z tarczą wytwarzały mezony, które wcześniej obserwowano tylko w rozpadach wywołanych promieniowaniem kosmicznym.

    Emulsja jądrowa – rodzaj emulsji fotograficznej służący do detekcji śladowej cząstek naładowanych. Początkowo źródłem tych cząstek były tylko rozpady jąder promieniotwórczych, stąd przyjęła się taka nazwa. Stosowana była w eksperymentach akceleratorowych i do badania promieniowania kosmicznego. Obserwatorium Pierre Auger – sieć detektorów przeznaczonych do rejestrowania wysokoenergetycznch cząstek promieniowania kosmicznego.

    Wielki pęk atmosferyczny jest kaskadą cząstek i fotonów powstającą w atmosferze Ziemi wywołaną pojedynczą cząstką promieniowania kosmicznego o dużej energii, rzędu 10 eV i większej. Spektrometr beta (ang.) beta spectrometer, beta-ray spectrometer – spektrometr służący do rejestrowania widma promieniowania beta, np. rozkładu energii elektronów emitowanych przez badane źródło; klasyczny spektrometr magnetyczny („typu Danysza”) jest zbudowany z komory próżniowej, silnego elektromagnesu, detektora oraz układów regulacji i rejestracji widma. Emitowane przez źródło elektrony przechodzą przez szczelinę, a następnie ich tor ulega zakrzywieniu w jednorodnym polu magnetycznym, którego linie sił są prostopadłe do kierunku ruchu elektronów. Kształt toru elektronów jest zależny od indukcji pola; do detektora docierają elektrony o określonej energii – widmo promieniowania beta można zarejestrować zmieniając np. wartość indukcji lub położenie detektora. W spektrometrii promieniowania beta stosuje się różne rodzaje detektorów cząstek elementarnych, np. półprzewodnikowe, gazowe lub scyntylacyjne (służące również do badań widma w zakresie alfa i gamma).

    Komora iskrowa - detektor promieniowania stosowany w fizyce cząstek elementarnych do badania cząstek subatomowych o wysokiej energii. Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X (rentgenowskiego) opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie – w wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub ich rozpraszaniu w polu jąder atomu. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Promieniowania gamma oznacza się grecką literą γ, analogicznie do korpuskularnego promieniowania alfa (α) i beta (β).

    Spektrometria promieniowania gamma polega na ilościowym badaniu widma energetycznego promieniowania gamma źródeł, bez względu na pochodzenie - tak ziemskich jak i kosmicznych. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetycznym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, będąc fizycznie tym samym promieniowaniem co np. promieniowanie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, nadfiolet czy fale radiowe, różniącym się od tych form wyższą energią fotonów i odpowiadającą jej wyższą częstotliwością oraz mniejszą długością fali. (Z powodu wysokiej energii fotonów gamma są one na ogół liczone indywidualnie, natomiast fotony najniższych energii promieniowania elektromagnetycznego, jak np. fale radiowe są obserwowane jako fale elektromagnetyczne składające się z wielu fotonów o niskiej energii.) Podczas gdy licznik Geigera lub podobne urządzenie określa jedynie częstość zliczeń (tj. liczbę zarejestrowanych - oddziałujących z substancją czynną detektora - kwantów gamma na sekundę), spektrometr promieniowania gamma pozwala również wyznaczyć energie rejestrowanych przez detektor a emitowanych przez źródło fotonów gamma.

    Detektory promieniowania jonizującego - urządzenia do rejestracji promieniowania jonizującego przez przetworzenie pierwotnych skutków oddziaływań promieniowania z materią na sygnały obserwowalne; są stosowane w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej, astrofizyce oraz w diagnostyce medycznej, biologii, energetyce jądrowej, badaniach materiałowych i innych; proste stanowią zasadniczą część dawkomierzy. Do detekcji wykorzystuje się głównie zdolność cząstek do jonizacji atomów ośrodkowych, przez który przechodzą, a także zdolność do wywoływania emisji promieniowania elektromagnetycznego, reakcji chemicznej i jądrowej, wytwarzania nośników prądu elektrycznego. Ośrodkiem czynnym detektorów promieniowania jonizującego bywają zazwyczaj specjalnie dobrane gazy, ciecze bądź ciała stałe. Istnieje wiele typów detektorów promieniowania jonizującego o różnym przeznaczeniu, dostosowanych do detekcji różnych cząstek w różnych zakresach energii.
    Liczniki cząstek rejestrują jedynie fakt przejścia cząstek przez ośrodek czynny detektora, detektory śladowe pozwalają na rekonstrukcję torów cząstek na podstawie śladów, np. jonów lub związków chemicznych, pozostawionych w ośrodku detektora (umieszczone w polu magnetycznym umożliwiają — poprzez pomiar krzywizny toru — wyznaczenie znaku ładunku oraz pędu cząstki).

    Izokosma – linia na mapie łącząca punkty o tym samym natężeniu promieniowania kosmicznego, czyli promieniowania złożonego, zarówno korpuskularnego jak i elektromagnetycznego, docierającego do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Promieniowanie jądrowe – emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas przemiany promieniotwórczej lub w wyniku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia zależy od rodzaju przemiany jądrowej.

    Promieniowanie słoneczne – strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych (promieniowanie korpuskularne) docierający ze Słońca do Ziemi. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery określone jest przez stałą słoneczną. Wielkość ta jest zdefiniowana dla średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m. Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem w zakresie ±3,4%. Chwilowa wartość natężenia promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery może być wyznaczona ze wzoru

    Dodano: 27.10.2011. 00:25  


    Najnowsze