Op dit moment worden we gebombardeerd door energetische deeltjes uit de kosmos. Gemiddeld is de flux ongeveer 150 geladen deeltjes per vierkante meter en per seconde (voor een groot deel muonen met een energie van ongeveer 2 GeV). Kosmische straling werd ontdekt door de Limburgse geestelijke Theodore Wulf in het begin van de twintigste eeuw. Theodore Wulf fabriceerde uiterst nauwkeurige elektrometers. Hij nam echter waar dat hoe goed hij een elektrometer ook isoleerde, na verloop van tijd de aangebrachte lading geneutraliseerd werd. De gangbare theorie, geformuleerd door Ernest Rutherford, was dat dit veroorzaakt werd door de straling van radioactieve elementen in de aardbodem. Theodore Wulf trachtte deze bijdrage te elimineren, door zijn elektrometers te plaatsen op het hoogste gebouw ter wereld, op dat moment de 324 m hoge Eiffeltoren in Parijs. Metingen toonden aan dat het ontladen van de elektrometers met dezelfde snelheid doorging. Hierop nam Victor Hess in 1912 enkele elektrometers, vervaardigd door Theodore Wulf, mee in ballonvluchten. Het was duidelijk dat voor hoogten groter dan 1 km de ontlading toenam en zelfs verdubbelde bij 4 km. Dit was het moment van de ontdekking van kosmische straling. Sinds die tijd is de samenstelling, het energiespectrum en de ruimtelijke en tijdverdeling van deze straling uitvoerig bestudeerd. Kosmische straling vormt een belangrijke component van ons sterrenstelsel: haar energiedichtheid, ongeveer 1 eV/cm, is van dezelfde orde van grootte als de energiedichtheid van het galactisch magnetisch veld en de thermische beweging van het gas.
|
Kosmische straling is bestudeerd op verschillende hoogten, met ballonnen, raketten en satellieten in de atmosfeer, maar ook in mijnen diep ondergronds. De straling die op de aardatmosfeer invalt bestaat uit kernen, elektronen, positronen, fotonen en neutrino's. Het is gebruikelijk om enkel de geladen deeltjes kosmische straling te noemen. Zo wordt -ray en -ray astronomie bedreven. Het lot van een kosmisch proton, dat met een hoge energie op de aardatmosfeer invalt, wordt geschetst in figuur 21. Het proton gaat een interactie aan met een stikstof- of zuurstofkern en dat heeft een reeks van gebeurtenissen tot gevolg. In eerste instantie wordt een groot aantal hadronen geproduceerd, waarbij pionen domineren. Er kunnen echter ook antinucleonen, kaonen en hyperonen geproduceerd worden. Deze hadronen zullen op hun beurt weer wisselwerken met de stikstof- en zuurstofkernen in de atmosfeer, terwijl de onstabiele deeltjes ook via de zwakke wisselwerking kunnen vervallen. Merk op dat hierbij de verhouding van elektron tot muon (anti)neutrino's 1:2 is. De vervalsproducten bestaan bijvoorbeeld uit elektronen, muonen, neutrino's en fotonen. De fotonen kunnen aanleiding geven tot paarproductie van deeltjes. De muonen zijn instabiel, maar kunnen veelal vanwege tijddilatatie toch het aardoppervlak bereiken. Samenvattend, kan een hoog-energetisch proton een `cascade shower' initiëren, waarbij een groot aantal deeltjes, verspreid over een oppervlak van vele vierkante kilometers, het aardoppervlak kan bereiken. In tegenstelling tot een proton, zal een hoog-energisch foton meestal slechts een klein aantal muonen produceren. In het volgende zullen we ons concentreren op de primaire kosmische straling en de compositie van de `shower' niet verder bespreken.
|
Het is duidelijk dat het energiespectrum geen thermische
verdeling heeft: het is niet exponentieel, maar valt minder steil af.
Een redelijke fit aan de meetgegevens, afgezien van de laagste
energieën, geeft
|
Er zijn nog twee factoren van belang in de discussie van de
energiespectra van kosmische straling. De eerste is de isotropie van de
straling, de tweede de constantheid in de tijd.
Metingen geven aan dat de flux van kosmische straling
isotroop is voor energieën kleiner dan eV. Er zijn
aanwijzingen dat de flux uit het centrum van ons melkwegstelsel
ongeveer 1 % groter is dan gemiddeld. De tijdafhankelijkheid van
de intensiteit over langere perioden is bestudeerd door te kijken
naar de abondantie van nucleïden in maangesteente en meteorieten.
Hieruit kan men afleiden dat de intensiteit van kosmische straling
constant is geweest over een periode van 1 miljard jaar.
De hierboven beschreven experimentele aanwijzingen impliceren
dat de bron van kosmische straling de volgende eigenschappen
dient te beziten: hij dient deeltjes met energieën
tot bijna eV te produceren met een spectrum zoals gegeven
door vergelijking (85). De totale energie
geproduceerd in ons melkwegstelsel dient ongeveer J/jaar
te zijn; de straling dient isostroop en constant te zijn over
minstens jaar. Het primaire spectrum dient zware elementen
te bevatten tot ongeveer , maar met minder dan 1 % antihadronen.
Er is nog geen model geformuleerd dat in staat is alle meetgegevens
uniek en bevredigend te beschrijven. De drie belangrijkste openstaande
vragen zijn (1) Waar komen de kosmische stralen vandaan? (2) Hoe worden
de kosmische deeltjes geproduceerd? (3) Hoe worden ze versneld? In het volgende
zullen we enkele opmerkingen hierover maken.