ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ

Transcript

1 i ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΛΙΟΛΙΟΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Π.Θ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ

2 ii ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΛΙΟΛΙΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012 ISBN: Εκδόσεις: Κ.Ν. Επισκόπου 7 Θεσσαλονίκη Τ Το βιβλίο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ τυπώθηκε και βιβλιοδετήθηκε από την COPY CITY ΕΠΕ με τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον, σε «πράσινες» ψηφιακές μηχανές, χωρίς χημικά απόβλητα, με μη τοξικά μελάνια, χαμηλής όχλησης και ενεργειακής κατανάλωσης. Απαγορεύεται η αναδημοσίευση ή αναπαραγωγή του παρόντος έργου στο σύνολό του ή τμημάτων του με οποιονδήποτε τρόπο, καθώς και η μετάφραση ή διασκευή του ή εκμετάλλευσή του με οποιονδήποτε τρόπο αναπαραγωγής έργου λόγου ή τέχνης, σύμφωνα με τις διατάξεις του ν.2121/1993 και της Διεθνούς Σύμβασης Βέρνης Παρισιού, που κυρώθηκε με το ν. 100/1975. Επίσης απαγορεύεται η αναπαραγωγή της στοιχειοθεσίας, σελιδοποίησης, εξωφύλλου και γενικότερα της όλης αισθητικής εμφάνισης του βιβλίου, με φωτοτυπικές, ηλεκτρονικές ή οποιεσδήποτε άλλες μεθόδους, σύμφωνα με το άρθρο 51 του ν. 2121/1993.

3 v ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η έρευνα στην Αστροσωματιδιακή Φυσική έχει αναπτυχθεί ραγδαία σε όλο τον κόσμο τα τελευταία χρόνια. Το σχετικά νέο αυτό γνωστικό πεδίο συνδυάζει την κατεύθυνση της Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων με την κατεύθυνση της Αστρονομίας-Αστροφυσικής και Κοσμολογίας. Σημαντική για τις ερευνητικές αυτές κατευθύνσεις υ- πήρξε η ανίχνευση και η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας στις αρχές του 20ου αιώνα. Σήμερα, 100 χρόνια μετά, ένας από τους πιο δραστήριους τομείς έρευνας εξακολουθεί να είναι αυτός των κοσμικών ακτίνων. Ο όρος κοσμικές ακτίνες σημαίνει τα φορτισμένα κυρίως σωματίδια που έρχονται στη γη με υψηλές ενέργειες. Τα κοσμικά σωματίδια συνδυάζουν ακραία χαρακτηριστικά από το μικρόκοσμο και από το μεγάκοσμο, αφού είναι σωματίδια που προέρχονται από γαλαξιακές ή και εξωγαλαξιακές πηγές, ενώ η ενέργειά τους είναι μερικές φορές πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των σύγχρονων επιταχυντών. Όταν καταφθάνουν στη γή, η αλληλεπίδρασή τους με το υλικό του ατμοσφαιρικού αέρα παράγει μικρούς ή μεγάλους καταιγισμούς από δευτερογενή σωματίδια, πολλά από τα οποία φτάνουν μέχρι το έδαφος. Επομένως, η μελέτη της αλληλεπίδρασης της κοσμικής ακτινοβολίας με το γήινο περιβάλλον ενδιαφέρει και για πρακτικούς λόγους, όπως π.χ. για τις βιολογικές επιπτώσεις της, για τους τρόπους προστασίας από την ακτινοβολία στο διάστημα και στις αεροπορικές πτήσεις, για τις επιπτώσεις στα γήινα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, κλπ. Η ώθηση για την συγγραφή αυτού του βιβλίου προήλθε κυρίως από την διδασκαλία του μαθήματος Κοσμική Ακτινοβολία στο πανεπιστήμιο κατά την τελευταία δεκαετία. Η επίδραση των φοιτητών ήταν πολύ θετική, αφού η παρακολούθηση του μαθήματος γινόταν με ενδιαφέρον και αγάπη για το αντικείμενο, ενώ οι φοιτητικές εργασίες έδιναν πάντα αφορμή για ενδιαφέρουσες συζητήσεις. Το βιβλίο, ως εκ τούτου, είναι επηρεασμένο από την όλη διδακτική διαδικασία. Για την συνεισφορά των φοιτητών και φοιτητριών μου που συνέβαλλαν με τη συμμετοχή τους και τις εργασίες τους, τους ευχαριστώ θερμά. Ευχαριστώ επίσης, τους αναπληρωτές καθηγητές κ. Χ. Ελευθεριάδη, Γ. Κίτη και Η. Σαββίδη, συναδέλφους μου στο εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων

4 vi ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ του ΑΠΘ, τον ομότιμο καθηγητή κ. Κώστα Ζιούτα, εμπνευστή και αρχηγό του πειράματος CAST του CERN, και βεβαίως τον δάσκαλο μας και ιδρυτή του εργαστηρίου Πυρηνικής Φυσικής του ΑΠΘ, ομότιμο καθηγητή κ. Στέφανο Χαραλάμπους, για το ενδιαφέρον τους και την προθυμία τους πάντα να βοηθήσουν. Η παρούσα έκδοση είναι αναβαθμισμένη σε σχέση με τις μέχρι τώρα σημειώσεις. Στο πρώτο κεφάλαιο υπάρχει ιστορική εισαγωγή σχετική με την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας. Το δεύτερο και το τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται στην εξάρτηση της κοσμικής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη από το γεωμαγνητικό πεδίο και από τα ηλιακά φαινόμενα. Το τέταρτο κεφάλαιο περιγράφει τη σύσταση και το ενεργειακό φάσμα της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας. Το πέμπτο κεφάλαιο περιέχει τα βασικά φαινόμενα για την αλληλεπίδραση των στοιχειωδών σωματιδίων μεγάλης ε- νέργειας με την ύλη, χρήσιμο για την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων της κοσμικής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα. Το πέμπτο και το έκτο κεφάλαιο αναφέρονται στη δευτερογενή ακτινοβολία, δηλαδή στα φαινόμενα που συμβαίνουν και στα σωματίδια που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση της πρωτογενούς ακτινοβολίας με το υλικό της ατμόσφαιρας, καθώς και στα μετρούμενα χαρακτηριστικά των καταιγισμών των δευτερογενών σωματιδίων που ανιχνεύονται με τις πειραματικές διατάξεις. Στο όγδοο κεφάλαιο αναφέρονται μερικά βασικά στοιχεία για τον Γαλαξία, δεδομένου ότι όλα τα κοσμικά σωματίδια στην πορεία τους μέσα στο διάστημα συναντούν τη μεσοαστρική ύλη και ακτινοβολία και αλληλεπιδρούν συνεχώς μαζί της. Η προέλευση και οι τρόποι επιτάχυνσης των σωματιδίων στους κοσμικούς επιταχυντές περιγράφονται στο ένατο και δέκατο κεφάλαιο, ενώ στο ενδέκατο επεξηγείται για ποιο λόγο η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου περιορίζει την διάδοση των εξαιρετικά υψηλής ενέργειας σωματιδίων σε κοσμολογικές αποστάσεις (όριο GZK). Τα πιο εξωτικά φαινόμενα αναπτύσσονται στα δύο τελευταία κεφάλαια του βιβλίου. Στο δωδέκατο γίνεται αναφορά στις αναλαμπές ακτίνων γάμμα (GRB), εκρήξεις άγνωστης αιτιολογίας που συμβαίνουν σε κοσμολογικές αποστάσεις, τα πιο βίαια γεγονότα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα θέματα της σκοτεινής ύλης, η ο- ποία, σύμφωνα με τις επικρατούσες πρόσφατες αντιλήψεις της παρατηρησιακής κοσμολογίας, αποτελεί, μαζί με την σκοτεινή ενέργεια, το κύριο

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ vii ποσοστό του υλικού του σύμπαντος, ποσοστό συντριπτικά μεγαλύτερο από αυτό της συνήθους ύλης που απαρτίζει τον γνωστό μας κόσμο. Όλα αυτά τα θέματα είναι πραγματική πρόκληση για τους επιστήμονες του 21 ου αιώνα και για τον φιλομαθή άνθρωπο γενικότερα. Όπως είπε ο Αριστοτέλης Πάντες άνθρωποι του ειδέναι ορέγονται φύσει. Τάσος Λιόλιος Σεπτέμβριος 2012

6

7 ix ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κοσμική ακτινοβολία... 1 Πρόδρομες ανακαλύψεις... 3 Ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΤΗΣ ΓΗΣ Το γήινο μαγνητικό πεδίο Ζώνες Van-Allen Πολικό σέλας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΗΛΙΑΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Ηλιακή σωματιδιακή ακτνοβολία Ενεργειακά σωματίδια Ενεργειακό φάσμα της Ηλιακής Σωματιδιακής Ακτινοβολίας Μηχανισμοί επιτάχυνσης των ενεργειακών σωματιδίων του ήλιου Χημική σύσταση των ηλιακών σωματιδίων Ηλιακός άνεμος και γήινη μαγνητόσφαιρα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Σύσταση της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας Χαρακτηριστικά του ενεργειακού φάσματος Κοσμικές ακτίνες γάμμα Κοσμικά νετρίνα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΓΑΜΜΑ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Αλληλεπίδραση των φορτισμένων σωματιδίων με την ύλη Απώλεια ενέργειας των φορτισμένων σωματιδίων μέσω ιονισμών και διεγέρσεων Απώλεια ενέργειας των ηλεκτρονίων και μιονίων Ακτινοβολία Cherenkov Λίγα λόγια για τον Cherenkov Απώλεια ενέργειας των φωτονίων γάμμα... 74

8 x ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός Αδρονικός καταιγισμός ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Αλληλεπίδραση των κοσμικών σωματιδίων με την ατμόσφαιρα Δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία Ροή μιονίων και ροή ηλεκτρονίων Νετρόνια στην ατμόσφαιρα Καταγραφείς νετρονίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΙ ΚΑΤΑΙΓΙΣΜΟΙ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Συνιστώσες και χαρακτηριστικά των καταιγισμών σωματιδίων Ανίχνευση των καταιγισμών Μετρούμενα μεγέθη των καταιγισμών Προσομοίωση των καταιγισμών Ανίχνευση των κοσμικών ακτίνων γάμμα με τηλεσκόπια Cherenkov ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΩΝ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΟ ΓΑΛΑΞΙΑ Τα κύρια χαρακτηριστικά του Γαλαξία Μεσοαστρική ύλη Μαγνητικό πεδίο του Γαλαξία και κίνηση των κοσμικών σωματιδίων Αλληλεπίδραση με τη μεσοαστρική ύλη και μέσος χρόνος παραμονής των κοσμικών σωματιδίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ Ενεργειακό φάσμα και σενάρια επιτάχυνσης Σουπερνόβα Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες (Active Galatic Nuclei, AGN) Μαγνητικά μονόπολα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΤΩΝ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ Μηχανισμοί επιτάχυνσης Επιτάχυνση Fermi Κρουστικά κύματα Κρουστικά κύματα και επιτάχυνση των κοσμικών σωματιδίων

9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ xi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ ΥΠΕΡ-ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ ΚΑΙ ΟΡΙΟ GZK Μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου Ραδιοκυματική και υπέρυθρη-ορατή ακτινοβολία υποβάθρου Αντίστροφο φαινόμενο Compton Αλληλεπίδραση των κοσμικών πρωτονίων υπερ-υψηλών ενεργειών με την ακτινοβολία υποβάθρου Αλληλεπίδραση άλλων κοσμικών σωματιδίων με την ακτινοβολία υποβάθρου Μέση ελεύθερη διαδρομή των πρωτονίων στο μεσογαλαξιακό χώρο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 ΑΝΑΛΑΜΠΕΣ ΑΚΤΙΝΩΝ ΓΑΜΜΑ, GRB (GAMMA-RAY-BURSTS) Ανακάλυψη των αναλαμπών ακτίνων γάμμα Χαρακτηριστικά εκπομπής Συχνότητα εμφάνισης και κατανομή των GRBs Afterglow: Το συνοδεύον φως (Χ, ορατό, ραδιοκύματα) και η εύρεση της απόστασης των αναλαμπών Ενέργεια των αναλαμπών Θεωρητικά μοντέλα ερμηνείας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΤΗΣ Βαρυτικές ενδείξεις για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης Σκοτεινή ύλη και δομές μεγάλης κλίμακας Σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια του σύμπαντος Βαρυονική σκοτεινή ύλη (MACHOs) Μη-βαρυτική σκοτεινή ύλη: νετρίνα Θερμή και ψυχρή σκοτεινή ύλη Μη-βαρυονική σκοτεινή ύλη: WIMPs Μη-βαρυονική σκοτεινή ύλη: αξιόνια

10

11 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κοσμική ακτινοβολία Μια συνεχής βροχή σωματιδίων υψηλής ενέργειας κατακλύζει μέρα και νύχτα όλη τη γη. Τα σχετικιστικά αυτά σωματίδια έρχονται από όλες τις διευθύνσεις του διαστήματος, κινούμενα με την ταχύτητα σχεδόν του φωτός. Αυτά, καθώς και όσα άλλα δευτερογενή σωματίδια δημιουργούν καθώς διασχίζουν με την τεράστια ενέργειά τους την ατμόσφαιρα, τα ονομάζουμε κοσμική ακτινοβολία. Η ανίχνευση και η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας στις αρχές του 20 ου αιώνα, υπήρξε σημαντική για την ανάπτυξη της Πυρηνικής Φυσικής και της Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Αλλά και σήμερα, στις αρχές του 21 ου αιώνα, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κοσμικής ακτινοβολίας την καθιστούν εξαιρετικά ενδιαφέρουσα για τη φυσική επιστήμη. Η φυσική του 20 ου αιώνα χαρακτηρίστηκε από τη μελέτη των φαινομένων που βρίσκονται πέρα από την "άμεσα" ελέγξιμη πραγματικότητα, πέρα από την περιγραφή του κόσμου που δίνει η κλασσική φυσική. Η σύγχρονη φυσική κινήθηκε σε δύο κυρίως κατευθύνσεις έρευνας. Η μία κατεύθυνση ήταν προς τον μικρόκοσμο, τον κόσμο της ατομικής και υπο-ατομικής φυσικής, ενώ η άλλη προς τον μεγάκοσμο, τον κόσμο της αστροφυσικής και της κοσμολογίας. Επειδή το θεωρητικό υπόβαθρο της κλασσικής φυσικής αποδείχθηκε ανεπαρκές για την περιγραφή των φαινομένων του μικρόκοσμου και του μεγάκοσμου, αναπτύχθηκαν δύο νέες ανεξάρτητες θεωρίες: η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντική φυσική. Η πρώτη είναι μια θεωρία του χώρου, του χρόνου και της σχέσης τους με την ύλη. Προβλέπει πρωτοφανή φαινόμενα, ιδιαίτερα όταν η ταχύτητα των σωμάτων πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. Χαρακτηριστικό μέγεθος είναι η ταχύτητα του φωτός c

12 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ (που είναι αξεπέραστη). Η δεύτερη είναι μια θεωρία για τη δομή της ύλης, τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των συστατικών της. Προβλέπει πρωτοφανή φαινόμενα, ιδιαίτερα όταν η κλίμακα των αποστάσεων γίνεται πολύ μικρή ή η πυκνότητα της ύλης-ενέργειας πολύ μεγάλη. Κύριο χαρακτηριστικό της είναι η ασυνέχεια της ύλης και των αλληλεπιδράσεών της, με χαρακτηριστικό μέγεθος τη σταθερά δράσης h του Planck (που είναι αδιαίρετη). Σήμερα, στο κατώφλι του 21 ου αιώνα, η φυσική εξακολουθεί να αναπτύσσεται με ιλιγγιώδεις ρυθμούς. Ένας από τους πολύ δραστήριους τομείς έρευνας είναι και πάλι οι κοσμικές ακτίνες. Τα κοσμικά σωματίδια συνδυάζουν ακραία χαρακτηριστικά και από το μικρόκοσμο και από το μεγάκοσμο, αφού είναι σωματίδια μεγάλης ταχύτητας που προέρχονται από γαλαξιακές ή ακόμη και εξωγαλαξιακές πηγές. Η ενέργειά τους είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των σύγχρονων επιταχυντών, ακόμη και κατά 8 τάξεις μεγέθους. Για παράδειγμα, η ενέργεια των πρωτονίων στον επιταχυντή LHC θα είναι ev, ενώ η μέγιστη ενέργεια κοσμικού σωματιδίου που έχει μετρηθεί είναι ev! Η έρευνα των κοσμικών ακτίνων αποτελεί διείσδυση στο άγνωστο, σε μια νέα πραγματικότητα που αποτελεί πρόκληση τόσο για τη θεωρία όσο και για τις πειραματικές δυνατότητες της σύγχρονης επιστήμης. Ο συνδυασμός αστροφυσικής-κοσμολογίας και φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων απαιτεί νέες τεχνικές ανίχνευσης σωματιδίων εξαιρετικά υψηλών ενεργειών και τεχνικές ανίχνευσης νέων, θεωρητικά αναμενομένων ή μη αναμενομένων, σωματιδίων. Θέματα που ζητούν απάντηση έχουν να κάνουν με την προέλευση των κοσμικών σωματιδίων, τον τρόπο επιτάχυνσης των κοσμικών σωματιδίων, τα μαγνητικά πεδία, γαλαξιακά και εξωγαλαξιακά, και πολλά άλλα. Αλλά και μιά σειρά από ζητήματα που άπτονται πρακτικών εφαρμογών μπορούν να αναφερθούν. Μεταξύ αυτών είναι οι βιολογικές επιπτώσεις και η προστασία από την ακτινοβολία (ιδιαίτερα, στο διάστημα και στις αεροπορικές πτήσεις), οι επιπτώσεις στα γήϊνα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα (κυρίως από ηλιακά σωματίδια), οι επιπτώσεις στη γήϊνη ατμόσφαιρα (σχηματισμός ραδιονουκλιδίων 7 Be, 14 C,...) και το υπόστρωμα των πειραμάτων φυσικής υψηλών ενεργειών.

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 Πρόδρομες ανακαλύψεις Στην τελείωση της κλασσικής φυσικής, στα τέλη του 19ου αιώνα, συνετέλεσε μιά σειρά ανακαλύψεων σχετικών με το φώς και τα φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού. Καθοριστικές ανακαλύψεις ήταν: Το πείραμα συμβολής του Young (1803), που απέδειξε την κυματική φύση του φωτός και μέτρησε το μήκος κύματός του. Τα πειράματα συσχέτισης του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού, κυρίως από τον Faraday. Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell (1864), με την οποία εννοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό εισάγοντας την έννοια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η θεωρία προέβλεψε ότι το πεδίο αυτό μπορεί να διαδίδεται ως κύμα στον κενό χώρο (με ταχύτητα c ίση με την ταχύτητα του φωτός) αλλά και μέσα στην ύλη (με ταχύτητα υ g = c/n, όπου n είναι ο δείκτης διάθλασης του υλικού μέσου, n > 1). Συμπέρασμα: το φώς είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τον Hertz (πρακτική εφαρμογή, οι ραδιοεπικοινωνίες). Η ανακάλυψη των ακτίνων Χ από τον Roentgen το 1896 (πρακτική εφαρμογή, η ακτινοδιαγνωστική). Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον Thomson το 1897 (πρακτική εφαρμογή, η... ηλεκτρονική εποχή μας!). Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας από τον Bequerel, αόρατης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από διάφορα ορυκτά με ενώσεις του Ουρανίου (1896), του Θορίου, του Πολωνίου, του Ραδίου (M.&J.Curie, 1898) κ.λ.π. H διαπίστωση ότι η ραδιενεργός ακτινοβολία αποτελείται από τρείς συνιστώσες διαφορετικής διεισδυτικότητας και απόκλισης μέσα σε ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία, οφείλεται στους Rutherford, Curie και Villard (1900). Οι συνιστώσες αυτές ονομάστηκαν: ακτίνες-α (πυρήνες He), ακτίνες-β (ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια) και ακτίνες-γ (φωτόνια).

14 4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Οι ανακαλύψεις αυτές δεν θα είχαν πραγματοποιηθεί χωρίς την ανάπτυξη πολλών νέων πειραματικών διατάξεων και τεχνικών, οι οποίες συχνά λειτούργησαν ως αυτόνομοι επιστημονικοί κλάδοι. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η μελέτη και η τεχνική του κενού, που ξεκίνησε με την κατασκευή καλών αντλιών κενού και συσκευών μέτρησής του. Ακολούθησε η κατασκευή των πρώτων σωλήνων κενού, από τον Geissler και κατόπιν από τον Crooks, με τους οποίους έγινε δυνατή η ανακάλυψη των ακτίνων Χ και του ηλεκτρονίου (καθοδικών ακτίνων). Δεν θα πρέπει να παραληφθεί επίσης η συνεισφορά στα παραπάνω και του Rűmhoff ο οποίος ασχολήθηκε με τη μελέτη και κατασκευή πηνίων για την επίτευξη υψηλής τάσης μερικών kvolts στα ηλεκτρόδια των σωλήνων. Παρατηρήθηκε ότι οι αόρατες ακτινοβολίες που προαναφέρθηκαν, δηλαδή οι ακτίνες α, β, γ και Χ, προκαλούν έντονο ιονισμό του αέρα. Συγκεκριμένα: Οι ακτίνες α δημιουργούν πυκνό ιονισμό κατά μήκος της διαδρομής τους και γι αυτό απορροφώνται μετά από λίγα cm διαδρομής μέσα στον αέρα και ανάλογα με την ενέργειά τους. Λέμε ότι οι ακτίνες-α είναι άμεσα ιονιστικές. Οι ακτίνες β δημιουργούν λιγώτερο πυκνό ιονισμό κατά μήκος της διαδρομής τους και γι αυτό απορροφώνται μετά από λίγα m διαδρομής μέσα στον αέρα και ανάλογα με την ενέργειά τους. Λέμε και για τις ακτίνες-β ότι είναι άμεσα ιονιστικές. Οι ακτίνες γ και Χ δεν δημιουργούν ιονισμό κατά μήκος της διαδρομής τους αλλά το κάθε φωτόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει πολύ δραστικά σε ένα σημείο του υλικού με φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, με σκέδαση Compton ή με δίδυμη γένεση και να δώσει όλη, ή ένα μεγάλο μέρος, της ενέργειάς του σε ένα ηλεκτρόνιο. Λέμε λοιπόν ότι οι ακτίνες-γ και Χ δεν είναι άμεσα ιονιστικές, αλλά έμμεσα ιονιστικές. Η εξασθένηση μιάς δέσμης ακτίνων γ και Χ, με αρχική ένταση Ι 0, λόγω απορρόφησής της μέσα σε κάποιο υλικό και μετά από διαδρομή μήκους x, ακολουθεί την εκθετική σχέση: I( x) = I e μ x [1.1] όπου Ι(x) η ένταση στο τέλος της διαδρομής x και μ = μ(ε) ο συντελεστής απορρόφησης των φωτονίων δεδομένης ενέργειας Ε μέσα στο υλικό. 0

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 Για τον αέρα και για φωτόνια περίπου 2 MeV ο συντελεστής μ είναι περίπου ίσος με m -1. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι, για δέσμη ακτίνων-γ αυτής της ενέργειας που κινείται μέσα στον αέρα, η έντασή της θα έχει πέσει στο 50% της αρχικής μετά από διαδρομή 140 m, στο 20% μετά από διαδρομή 320 m και στο 1% της αρχικής μετά από διαδρομή περίπου 1 km. Ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων Μία από τις απλές διατάξεις για τη μελέτη του στατικού ηλεκτρισμού, το ηλεκτροσκόπιο (σχήμα 1.1), μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη μέτρηση της αγωγιμότητας του αέρα ως εξής: το ηλεκτροσκόπιο φορτίζεται με δεδομένη ποσότητα φορτίου (από μία μπαταρία) και κατόπιν αφήνεται να εκφορτιστεί. Ο ρυθμός εκφόρτισής του, που μετράται με τη βοήθεια των υποδιαιρέσεων και ένα χρονόμετρο, είναι ανάλογος της αγωγιμότητας του αέρα, δηλαδή του ιονισμού του (αριθμός των ζευγών ηλεκτρονίων θετικών ιόντων που υπάρχουν ανά μονάδα όγκου του αέρα, ιόντα/m 3 ). Άρα, με ένα κατάλληλα βαθμονομημένο ηλεκτροσκόπιο και ένα χρονόμετρο, μπορεί να μετρά κανείς ιόντα/m 3. Σχήμα 1.1 Το ηλεκτροσκόπιο είναι ένα απλό όργανο, το οποίο όταν βαθμονομηθεί κατάλληλα, μπορεί να μετρά τον βαθμό ιονισμού της ατμόσφαιρας

16 6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Επειδή η ραδιενέργεια και οι ακτίνες-χ προκαλούν ιονισμό του αέρα, ένα φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο θα εκφορτίζεται τόσο πιο γρήγορα όσο περισσότερη ακτινοβολία υπάρχει στο χώρο, π.χ. δίπλα σε ένα ραδιενεργό υλικό. Το παράξενο είναι ότι τα ηλεκτροσκόπια εξακολουθούν να εκφορτίζονται ακόμη και όταν δεν υπάρχει καμμιά πηγή ακτινοβολίας τριγύρω. Αυτό συμβαίνει ακόμη και στα πιο τέλεια ηλεκτροσκόπια από άποψη μονώσεων για διαρροές φορτίου, πράγμα που σημαίνει ότι ο αέρας είναι πάντοτε ιονισμένος. Το ερώτημα που προκύπτει είναι: γιατί ο αέρας είναι πάντοτε ιονισμένος; Η πρώτη απάντηση θα μπορούσε να είναι ότι αυτό συμβαίνει λόγω των καιρικών φαινομένων (π.χ. αστραπές, κεραυνοί, καταιγίδες), ή ότι οφείλεται στο ηλιακό φως. Ο αέρας όμως, ακόμη και σε κλειστούς απομονωμένους χώρους όπως μικρά υπόγεια εργαστήρια, είναι και πάλι ιονισμένος, οπότε η αιτία ιονισμού δεν μπορεί να είναι (μόνο) η παραπάνω. Αναζητώντας τις αιτίες του φαινομένου, ο Rutherford πρότεινε ότι ο ιονισμός του αέρα πρέπει να οφείλεται στη φυσική ραδιενέργεια του εδάφους και των δομικών υλικών. Για να ελέγξει την υπόθεση αυτή ο Theodor Wulf, κατασκευαστής πολύ καλών ηλεκτροσκοπίων, έκανε το 1910 συγκριτικές μετρήσεις ιονισμού του αέρα στη βάση και στην κορυφή του πύργου του Eiffel (ύψος 330 m). Στον αέρα δίπλα στο έδαφος μέτρησε ιόντα/m 3, ενώ στην κορυφή μέτρησε 3, ιόντα/m 3, δηλαδή βρήκε τον ιονισμό μειωμένο κατά 40% περίπου. Ήταν αυτό το αναμενόμενο; Θεωρώντας ότι όλη η ακτινοβολία του εδάφους ήταν ακτινοβολία γ (η πιο διεισδυτική τότε γνωστή ακτινοβολία), με τον γνωστό νόμο απορρόφησης, σχέση [1.1], και τον γνωστό συντελεστή απορρόφησης, υπολόγισε ότι θα έπρεπε στα 330 m να είχε μείνει μόνο το 20% της ακτινοβολίας του εδάφους, αντί του 60%. Προφανώς, υπήρχε μια περίσσεια ακτινοβολίας στο ύψος των 330 m άγνωστης προέλευσης. Συστηματικότερες μετρήσεις του ιονισμού του αέρα συναρτήσει του ύ- ψους έγιναν από τον Victor Hess το Αυτός, χρησιμοποιώντας ένα αερόστατο υδρογόνου της αυστριακής αερολέσχης, έκανε μετρήσεις του ιονισμού με ριψοκίνδυνες πτήσεις μέχρι ύψους 5350 m. Τα αποτελέσματά του ήταν εντελώς διαφορετικά από αυτά που αναμενόταν θεωρώντας ως μόνη πηγή ακτινοβολίας το έδαφος. Αν και στο πρώτο χιλιόμετρο βρήκε όντως κάποια μείωση του ιονισμού με το ύψος (μικρότερη πάντως από