Nationaal instituut voor subatomaire fysica

Wat zijn kosmische stralen?

Iedere seconde bombarderen miljoenen kosmische stralen de atmosfeer, waarbij zij een douche van subatomaire deeltjes veroorzaken. Deze kosmische deeltjes kunnen verdeeld worden in laag-energetische deeltjes  en hoog-energetische deeltjes. Van laag-energetische deeltjes weet men waar deze vandaan komen (zon, zonnewind).

De oorsprong en de aard van de hoog-energetische variant is echter nog steeds niet duidelijk. We kunnen ons niet voorstellen hoe en waar deze deeltjes in ons eigen melkwegstelsel de enorme energie krijgen, dus kunnen we zeggen dat de deeltjes wel een extragalactische oorsprong moeten hebben. De manier waarop de natuur de deeltjes versnelt, de plaats waar dat gebeurt, en het type deeltje dat versneld wordt zijn onderwerpen van internationaal onderzoek.

Wat houdt het onderzoek in?

Door de eeuwen heen hebben mensen bergen bedwongen, de Eiffeltoren beklommen, of zijn met apparatuur en al opgestegen in hete luchtballonnen om kosmische straling te bestuderen.

Nikhef-onderzoekers hebben nu in Argentinië samen met collega’s een detector ontwikkeld en gebouwd waarmee deeltjes bestudeerd worden die een energie hebben tussen 1017 eV en 1021 eV, de hoogste tot nu toe bestudeerde energie. De Argentijnse opstelling bestaat uit verschillende detector-typen.  De gehele deeltjesdetector bestaat uit 1600 waterbassins verdeeld over een oppervlak van 3000 vierkante kilometer, waarmee de kosmische straling uit verschillende richtingen gesignaleerd wordt. Als er een douche van deeltjes door de atmosfeer gaat, komt hierbij fluorescentielicht vrij. Dat licht wordt opgevangen door 27 zeer gevoelige telescopen die aan de rand van het observatorium geplaatst zijn. Ook worden bij het observatorium nieuwe technieken ontwikkeld, zoals de meting van radiostralen die ontstaan door de wisselwerking van de deeltjesdouche met de atmosfeer en het aardmagneetveld.

Hoe weten de onderzoekers waar de straling vandaan komt?

Door heel nauwkeurig de eigenschappen van de deeltjesdouche te meten bepalen de onderzoekers waar de kosmische straling vandaan komt en welke energie deze heeft. Ook proberen ze te achterhalen wat de massa van de oorspronkelijke kosmische straling is (lijkt het op waterstof, of meer op ijzer?). Door de aankomstrichtingen van de hoogst energetische straling te vergelijken met de posities van bekende objecten aan de hemel (zwarte gaten, melkwegstelsels, supernova’s) proberen ze erachter te komen wat nu eigenlijk de bronnen van deze straling is.

Wat is Nikhef's bijdrage aan het project?

Nikhef is geïnteresseerd in de aard van de kosmische straling. Wat komt er op ons af en wat gebeurt er bij de botsingen in de atmosfeer. Wij willen dus vooral de deeltjesdouche beter leren kennen. De detectie van het fluorescentielicht is hiervoor een ideale meting, maar helaas werkt deze detector alleen als het volledig donker is, zonder maan, en als er geen wolken zijn. De detectie van de radiostralen van de deeltjesdouche heeft deze beperkingen niet. Nikhef is dan ook erg actief bij het ontwikkelen van deze techniek. De Nikhef-fysici ontwikkelen, samen met collega’s, een volledig nieuw type detectiestation en bestuderen hoe de radiosignalen gemaakt worden om uiteindelijk meer te kunnen vertellen over de ontwikkeling van de deeltjesdouche in de atmosfeer, en dus over de aard van de kosmische straling.

Waarom willen we dit weten en wat zijn eventuele toepassingen?

We willen weten wat de oorsprong is van kosmische straling en hoe deze deeltjes vanuit hun waarschijnlijk extragalactische locatie kunnen versnellen en op aarde terecht komen.
Daarnaast zijn de botsingsenergieën boven in de atmosfeer veel hoger dan de energieën die we bij een versneller kunnen bereiken. Allerlei exotische deeltjes die misschien bestaan maar nog niet waargenomen zijn in het laboratorium, kunnen dus wel in de deeltjeslawine voorkomen. Als we een manier zouden vinden om de eigenschappen van de deeltjeslawine zo nauwkeurig te meten dat we kunnen aangeven bij welke energie er mogelijk nieuwe fysica in het lab te vinden zou zijn, is dat zeer belangrijk voor onze kennis van de fundamentele bouwstenen van de materie. 

Website van de internationale collaboratie

Pierre Auger Observatory