우주9.우주방사선

우주방사선의 발견

 

처음에는 우주선의 대부분이 전자적 방사선으로 생각되었기 때문에 광선이라는 용어는 역사적 사고에 의한 오명이 되었다. 일반적인 과학적 사용에서 고유 질량을 갖는 고에너지 입자는 '우주' 광선이라고 불리고 있으며 전자 방사선의 양인 광자는 광자에 의해 감마선이나 X선과 같은 일반적인 이름으로 알려져 있다. 지구 대기권 밖에서 발생하는 1차 우주광선 중 99% 정도는 잘 알려진 원자의 핵이며 1% 정도는 고독 전자(즉 베타 입자의 일종이다. 핵 중 약 90%는 단순 양성자(즉 수소핵), 9%는 알파 입자로 헬륨 핵과 같으며 1%는 HZE 이온으로 불리는 무거운 원소의 핵이다. 이러한 분율은 우주 광선의 에너지 범위에 걸쳐 매우 다양하다. 극소수는 양전자나 항양자와 같은 안정된 반물질 입자이다. 이 나머지 분수의 정확한 성질은 활발한 연구의 한 분야이다. 지구 궤도에서 반 알파 입자를 찾는 활발한 수색은 그들을 탐지하는 데 실패했다. 우주선은 실질적으로 대기와 자기장 보호 외의 마이크로일렉트로닉스와 생명에 손상을 주기 때문에, 또 과학적으로는 가장 에너지 넘치는 초고에너지 우주선(UHECR)의 에너지가 약 4,000만 배의 에너지에 근접하는 것이 관측되고 있기 때문에 큰 관심을 끈다. 대형 하드론 충돌형 가속기에 의해 가속된 입자의 y 이런 엄청난 에너지는 활동 은하핵에서의 가속 원심 기구에 의해 달성될 수 있음을 보여줄 수 있다. 50J에서 최고 에너지 초고에너지 우주선(1991년에 기록된 오 마이 갓 입자 등)은 시속 90km(56마일)의 야구 운동 에너지에 필적하는 에너지를 가진다. 이러한 발견의 결과, 한층 더 큰 에너지의 우주선을 조사하는 것에 관심이 모아지고 있다. 단, 우주선의 에너지 분포는, 0.3 기가 전자볼트(4.8 × 10 ~ 11 J)에 피크를 나타낸다.

 1911년, 도메니코 파치니는 호수, 바다, 그리고 표면으로부터 3미터 깊이의 이온화 속도의 동시 변화를 관찰했다. 파치니는 물속에서 방사능의 감소로 인해 이온화의 특정 부분이 지구의 방사능이 아닌 다른 원인에 의한 것이 틀림없다고 결론지었다. 헤스는 거의 개기 일식 동안에 풍선을 상승시킴으로써 태양을 방사선의 원으로 배제했다. 달이 태양의 가시 방사선을 상당히 차단하고 있는 가운데, 헤스는 여전히 상승 고도로 상승하는 방사선을 측정했습니다. 그는 관측 결과는 매우 높은 침투력의 방사선이 위에서 대기권으로 진입한다는 가정에 따라 설명될 가능성이 가장 높다고 결론지었다. 1913년부터 1914년까지 베르너 콜 홀스터는 9km 고도에서 증가한 이온화 엔탈피율을 측정해 빅토르 헤스의 초기 결과를 확인했다. 2013년 5월 31일 NASA 과학자들은 화성 탐사선 RAD가 2011-2012년 화성 탐사선을 지구에서 화성까지 이동하는 동안 탐지한 강력한 입자 방사선의 양에 따라 화성에 대한 유인 임무가 이전보다 큰 방사능 위험을 수반할 수 있다고 보고했다. 1920년대 후반과 1930년대 초, 풍선에 의해 대기의 가장 높은 층으로 운반되거나 물속에 아주 깊은 곳으로 가라앉는 자기 기록 전자 스코프 기술은 독일의 물리학자 에리히 레너와 그의 그룹에 의해 전례 없는 수준의 완벽함을 가져왔다. 이러한 과학자들에게 우리는 고도와 깊이의 함수로서 우주선 이온화로 이루어진 가장 정확한 측정의 일부를 빚지고 있다. 1931년 어니스트 러더퍼드는 "밀리칸 교수의 훌륭한 실험과 훨씬 더 광범위한 재생 교수의 실험 덕분에, 우리는 이제 처음으로 우리가 안전하게 의지할 수 있는 물에서의 이러한 방사선의 흡수 곡선을 갖게 되었다"라고 말했다. 1920년대에, 우주선이라는 용어는 로버트 밀리칸에 의해 만들어졌는데, 그는 깊은 물속에서부터 높은 고도와 전 세계에 걸쳐 우주선으로 인해 이온화를 측정했다. 밀리칸은 그의 측정치가 1차 우주선이 감마선 즉, 에너지 광자임을 증명한다고 믿었다. 그리고 그는 그것들이 성간 공간에서 수소 원자가 무거운 원소로 융합된 부산물로 생성되었고, 2차 전자는 감마선의 콤프턴 산란에 의해 대기 중에 생성되었다는 이론을 제안했다. 그러나 1927년 자바에서 네덜란드로 항해한 제이콥 클레이는 나중에 많은 실험에서 우주 광선 강도가 열대지방에서 중위도까지 증가한다는 것을 확인했는데, 이는 일차 우주 광선이 지자기장에 의해 굴절되기 때문에 광자가 아닌 전하 입자가 되어야 한다는 것을 나타낸다. 1929년 보테와 콜 호르스 터는 4.1cm의 금을 투과할 수 있는 장전된 우주선을 발견했다.

 

우주방사선의 종류

은하 우주선(GCR)과 외은 하우 주선, 즉 태양계 밖에서 발생하는 고에너지 입자, 그리고 태양 에너지 입자, 주로 태양 폭발에서 태양에 의해 방출되는 고에너지 입자(양성자) 그러나, "우주선"이라는 용어는 종종 외계 유속만을 가리키는 데 사용된다. 1차 우주 입자는 대기 분자와 충돌하여 공기 샤워기를 만든다.
우주선은 원래 다양한 천체물리학적 과정에서 생성된 1차 우주선에서 비롯된다. 1차 우주선은 주로 양성자와 알파 입자(99%)로 구성되어 있으며, 적은 양의 무거운 핵(α1%)과 양전자와 반양자의 극히 미세한 비율로 구성되어 있다. [9] 대기권에 영향을 미칠 때 일차 우주선의 붕괴에 의해 발생하는 이차 우주선은 전자, 양전자, 뮤온, 파이온과 같은 광자, 렙톤, 하드론을 포함한다. 이 중 후자의 세 가지는 우주 광선에서 처음 검출되었다.

 

 

1차우주선

1차 우주선은 대부분 태양계 바깥에서, 때로는 은하수에서도 발생한다. 그들이 지구의 대기와 상호작용할 때, 그들은 2차 입자로 전환됩니다. 헬륨과 수소 원자핵의 질량비(28%)는 원소의 원소 풍요 비(24%)와 비슷하다. 나머지 분율은 주로 리튬, 베릴륨 및 붕소 등 전형적인 핵 합성 최종 산물인 다른 무거운 핵으로 구성된다. 이 핵들은 헬륨만큼만 풍부한 태양 대기권보다 훨씬 더 큰 풍광( in 1%)에서 나타난다. 헬륨보다 무거운 전하를 띤 핵으로 이루어진 우주선은 HZE 이온이라고 불린다. HZE 이온의 높은 충전량과 무거운 특성 때문에 상대적으로 우주 비행사의 방사선량에 대한 기여는 매우 크다. 높은 에너지에서 구성 변화와 무거운 핵은 어떤 에너지 범위에서 더 큰 분량을 가진다. 현재의 실험은 높은 에너지에서 구성을 보다 정확하게 측정하는 것을 목표로 한다. 위성 실험은 1차 우주선에서 양전자와 몇 개의 항양자의 증거를 발견했는데, 이는 1차 우주선에서 입자의 1% 미만에 해당한다. 이것들은 빅뱅의 많은 양의 반물질이나 우주의 복잡한 반물질의 산물로 보이지 않는다. 오히려, 그것들은 이 두 개의 기본적인 입자들로만 구성되어 있는 것처럼 보이고, 새로이 활기찬 과정으로 만들어집니다.

 

2차 우주선

우주선이 지구의 대기에 들어올 때 그들은 원자와 분자, 주로 산소와 질소와 충돌한다. 이 상호작용은 X선, 양성자, 알파 입자, 피온, 뮤온, 전자, 중성미자, 중성자를 포함한 소위 에어 샤워 이차 복사라고 불리는 가벼운 입자들의 캐스케이드를 생성한다. 이러한 충돌에서 생성된 대표적인 입자는 중성자와 양 또는 음의 피온과 카온과 같은 전하 메슨이다. 이들 중 일부는 이후 뮤온과 중성미자로 붕괴되어 지구 표면에 도달할 수 있다. 일부 고에너지 뮤온들은 심지어 얕은 광산으로 약간의 거리를 침투하기도 하고, 대부분의 중성미자들은 더 이상의 상호작용 없이 지구를 횡단한다. 다른 것들은 광자로 분해되고, 그 후에 전자기 캐스케이드를 생성한다. 따라서, 광자 다음으로 전자와 양전자가 보통 공기 샤워에서 지배합니다. 이러한 입자와 뮤온은 구름 챔버, 버블 챔버, 워터 체렌코프 또는 섬광 검출기와 같은 많은 유형의 입자 검출기에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 여러 검출기에서 동시에 입자가 2차적으로 쏟아지는 것을 관찰한 것은 모든 입자가 그 사건에서 나왔다는 것을 보여주는 것입니다.

 

탐지 방법에는 두 가지 주요 클래스가 있습니다. 첫째, 풍선을 이용한 기구를 통해 우주나 고공에서 일차 우주선을 직접 감지한다. 둘째, 2차 입자를 간접적으로 감지한다. 즉, 더 높은 에너지에서 광범위한 공기 샤워. 우주 공간 제안과 프로토타입이 있고 공기 샤워기의 풍선 전달 탐지가 있지만, 현재 고에너지 우주선에 대한 운용 실험은 지상에 기반을 두고 있다.

 

직접 탐지

일반적으로 직접 검출은 간접 검출보다 더 정확하다. 그러나 우주선의 흐름은 에너지에 따라 감소하며, 이는 1 PeV 이상의 에너지 범위에 대한 직접적인 탐지를 방해한다. 직접 및 간접 탐지는 모두 몇 가지 기법에 의해 실현된다. 직접 검출 기법의 예로는 로버트 플라이셔, P. 뷰포드 프라이스, 로버트 M이 개발한 방법이 있다. 고고도 풍선에 사용하는 워커입니다. 이 방법에서 0.25 mm Lexan Polycarbonate와 같은 투명한 플라스틱 시트는 함께 쌓이고 우주 또는 고도에서 우주선에 직접 노출된다. 핵 전하는 플라스틱의 화학적 결합 깨짐이나 이온화를 일으킨다. 플라스틱 스택의 상단에서 이온화는 높은 우주 광속 때문에 덜하다. 스택의 감속으로 인해 우주 광선 속도가 감소하면, 이온화는 경로를 따라 증가합니다. 결과 플라스틱 시트는 천천히 알려진 속도로 표면 물질을 제거하는 따뜻한 가성 수산화나트륨 용액에 "에칭"되거나 천천히 용해됩니다. 가성 수산화나트륨은 이온화 플라스틱의 경로를 따라 더 빠른 속도로 플라스틱을 용해시킨다. 최종 결과는 플라스틱에 원뿔형 에치 핏이 됩니다. 에치 피트(etch pit)는 고출력 현미경(일반적으로 1600배 오일 삽입)으로 측정되며, 에치 속도는 쌓인 플라스틱의 깊이 함수로 표시된다. 이 기술은 1에서 92까지의 각 원자핵에 대해 고유한 곡선을 만들어 플라스틱 스택을 가로지르는 우주선의 전하와 에너지를 모두 식별할 수 있게 한다. 경로를 따라 이온화가 광범위하게 진행될수록 충전량이 높아집니다. 우주선 검출에 사용되는 것 외에도, 이 기술은 핵분열의 생성물로 생성된 핵을 탐지하는 데에도 사용된다.

간접 탐지
현재 사용되고 있는 우주선을 감지하는 몇 가지 지상 기반 방법이 있는데, 이는 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있는데, 이는 다양한 유형의 입자 감지기에 의한 광범위한 공기 샤워(EAS)를 형성하는 이차 입자의 감지와 대기 중 EAS가 방출하는 전자기 방사선의 검출이다. 입자 감지기로 만들어진 광범위한 에어 샤워 배열은 이를 통과하는 전하 입자를 측정합니다. EAS 어레이는 넓은 영역의 하늘을 관찰할 수 있으며 90% 이상 활동할 수 있습니다. 하지만, 그들은 체렌코프 망원경을 공기로 날릴 수 있는 것보다 우주 광선으로부터 배경 효과를 분리하는 능력이 떨어진다. 대부분의 최첨단 EAS 어레이는 플라스틱 섬 광기를 사용한다. 또한 물(액체 또는 동결)은 입자가 통과하여 체렌코프 복사를 생성하여 탐지할 수 있도록 하는 감지 매체로 사용된다. [72] 따라서 여러 어레이는 물/얼음-체렌코프 검출기를 대체 또는 섬 광기와 함께 사용한다. 여러 검출기의 조합에 의해, 일부 EAS 배열은 뮤온을 가벼운 2차 입자(광자, 전자, 양전자)와 구별할 수 있는 기능을 가지고 있다. 2차 입자들 사이의 뮤온 분율은 1차 우주선의 질량 구성을 추정하는 전통적인 방법이다. 증명 목적으로 여전히 사용되는 역사적인 2차 입자 검출 방법은 피온이 붕괴할 때 생성된 2차 뮤온을 감지하기 위해 구름 챔버를 사용하는 것이다. 특히 클라우드 챔버는 널리 사용 가능한 재료로 제작될 수 있으며, 고등학교 실험실에서도 제작할 수 있습니다. 버블 챔버를 포함하는 다섯 번째 방법은 우주 광선 입자를 감지하는 데 사용될 수 있습니다. 또 다른 방법은 공기 소나기에 의해 방출되는 전파를 감지하는 것이다. 이 기법은 입자 검출기와 유사한 높은 듀티 사이클을 가진다. 이 기법의 정확성은 지난 몇 년 동안 다양한 프로토타입 실험에서 보인 바와 같이 향상되었으며, 적어도 높은 에너지에서 대기 체렌코프 광선과 형광등을 감지하는 대안이 될 수 있다.