Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Kosmisk stråling




Figur 1: Partikler fra kosmisk stråling ved havoverfladen. Kilde: Gaisser og Stanev (2008)

Lidt Om kosmisk stråling
Kosmisk partikelstråling, ikke at forveksle med den kosmiske baggrundsstråling, er højenergetiske partikler, hovedsageligt protoner og atomkerner, som bevæger sig gennem rummet med hastigheder nær lysets og energier på op til 3 x 1020eV.




Figur 2: Kosmisk byge. Kilde: Perkins ( 2003)

Disse partikler, kaldet primær kosmisk stråling, kommer fra kilder uden for Solsystemet. Deres oprindelse er ikke fuldt afklaret, men det menes at de stammer fra supernovaer eller aktive galaksekerner. Når primære partikler rammer atomer i Jordens atmosfære opstår byger af sekundære partikler, hvoraf en del når ned til Jordens overflade. Disse sammenstød sker typisk i 15 kilometers højde, og danner, udover myoner, også neutroner, alfapartikler, pioner (π-mesoner), kaoner (Κ-meson, kappa-meson), røntgen- og gammastråler, elektroner og protoner.

Kaonerne findes i 3 forskellige varianter: K+, K- og K0. De er alle ustabile og henfalder på vej ned. Læs mere om kaoner i engelsk Wikipedia.

Pioner findes der også i 3 typer af: π+, π- og π0. Også her er alle 3 slags ustabile, æs mere om kaoner i dansk dansk eller engelsk Wikipedia.

Der findes 2 slags myoner, disse kaldes på engelsk muons ligesom det græske bogstav μ my hedder mu på engelsk. Som det fremgår af figur 1 udgør myoner langt størstedelen af de elektrisk ladede sekundære partikler ved havoverfladen. Myonernes energi ved havoverfladen har en middelværdi omkring 4 GeV (Gaisser og Stanev, 2008). Kosmisk stråling er genstand for international forskning, bl. a. på Pierre Auger Observatoriet (www.auger.org). Et par detaljerede, omend noget bedagede værker om kosmisk partikelstråling er Hayakawa (1969) og Sandström (1965).

Relativistiske partikler
Når vi beskæftiger os med partikler som bevæger sig med hastigheder nær lysets, må vi beskrive dem med relativistisk mekanik. Fra den specielle relativitetsteori har vi Lorentz-transformationen, som giver nedenstående sammenhænge imellem størrelser målt i referencesystemer som bevæger sig med hastigheden v i forhold til hverandre, konstanten c er lyshastigheden i vakuum. De referencesystemer vi anvender er målestationernes referencesystem (laboratoriesystemet) og partiklernes referencesystemer, altså koordinatsystemer som bevæger sig med partiklerne set fra målestationerne.


Gammafaktoren som funktion af hastigheden v.


β er den relative hastighed imellem referencesystemerne.


Energien af en relativistisk partikel med hvilemasse m0.


Tidsintervallet Δt' og Δt i de 2 referencesystemer.


Længden L' og L0 i de 2 referencesystemer.

Opgaver
Find ved tabelopslag eller på internettet hvilemasser og levetider for de partikler som indgår i opgaverne.

  1. En myon dannes i 15 kilometers højde med en relativistisk energi pÃ¥ 6 GeV. Udregn myonens relativistiske hastighed.
  2. Hvor lang tid tager det, set i målestationens referencesystem, for myonen at nå fra 15 kilometers højde og ned til havoverfladen?
  3. Hvor lang tid tager det, set i myonens referencesystem, for myonen at nå fra 15 kilometers højde og ned til havoverfladen?
  4. Hvor lang er afstanden på 15 kilometer set i myonens referencesystem?
  5. Hvad er myonens levetid set fra målestationens referencesystem?
  6. Hvor mange procent af de myoner, som dannes i 15 kilometers højde med energier på 4 GeV, når havoverfladen, og hvor mange procent henfalder undervejs?
  7. Hvad er levetiderne for neutroner, pioner (π-mesoner) og kaoner (K-mesoner) med energier på 6 GeV set fra målestationens referencesystem?
  8. Hvor mange procent af de neutroner, pioner (π-mesoner) og kaoner (K-mesoner) som dannes i 15 kilometers højde med energier på 6 GeV når havoverfladen, og hvor mange procent henfalder undervejs?
  9. En primær proton har energien 3 x 1020 eV. Udregn β for protonen.

Se f. eks. Andersen m. fl. (2012) for yderligere diskussion af elementarpartikler.