Kosmické záření. Dalibor Nedbal ÚČJF.

Transkript

1 Kosmické záření Dalibor Nedbal ÚČJF

2 Kosmické záření Kontakt: Dalibor Nedbal Ústav částicové a jaderné fyziky (ÚČJF) Troja, A825 nedbal@ipnp.troja.mff.cuni.cz Web: Prezentace, odkazy, skripta

3 Kosmické záření Literatura S. Rosswog & M. Brueggen, Introduction to High-Energy Astrophysics, Cambridge University Press, 2007 C. Grupen, Astroparticle Physics, Springer-Verlag, 2005 M. Longair, High Energy Astrophysics (Vol. 1, 2), Cambridge University Press, 1992 T. K. Gaisser, Cosmic Ray and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990 D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003 Web M. Kachelriess, Lecture notes on high energy cosmic rays, 2008 Z. Kuncic, Lecture Notes in High Energy Astrophysics

4 Motivace Co to je kosmické záření (KZ) Vysokoenergetické částice z vesmíru Původem ze Slunce (sluneční vítr) nebo mimo Sluneční soustavu Zde budeme probírat extrasolární KZ

5 Motivace Proč jej studovat? Jediná hmota z vnějšího vesmíru, kterou umíme chytit Nevysvětlený původ, způsob urychlení a šíření Umožňuje studovat nejenergetičtější procesy ve vesmíru Ovlivňuje počasí a život na Zemi

6 Přehled přednášky Úvod Historie - Koncepce přednášky jako základ astročásticové fyziky - Alternativní témata vítána -1 sr GeV sec) 2 Flux (m (1 particle/m -sec) LEAP - satellite Proton - satellite Yakustk - ground array Haverah Park - ground array Akeno - ground array AGASA - ground array Fly s Eye - air fluorescence HiRes1 mono - air fluorescence HiRes2 mono - air fluorescence HiRes Stereo - air fluorescence Auger - hybrid Knee 2 (1 particle/m -year) Fenomenologie Šíření KZ Transport KZ v Galaxii FNAL Tevatron (2 TeV) CERN LHC (14 TeV) Ankle 2 (1 particle/km -year) (1 particle/km -century) Energy (ev) Stáří KZ, spektrální index Urychlení Fermiho mechanismus Rázové vlny Supernovy

7 Přehled přednášky Zářivé procesy Záření pohybující se částice Synchrotronní, brzdné, Čerenkovovo záření Spektrální signatura zdrojů KZ Studium elektromagnetického záření zdrojů KZ Rázové vlny Supernovy

8 Přehled přednášky Praktické ukázky Hledání článků, zdrojů informací Hledání astrofyzikálních dat Zobrazení dat z různých experimentů a energetických oborů pomocí DS9

9 Přehled přednášky Centaurus A Radiové záření RTG záření Optické světlo

10 Přehled přednášky Ilustrační spektrum (ve skutečnosti RGB J )

11 Přehled přednášky Interakce KZ Různé druhy interakcí podle energie Greisen Zatsepin Kuzmin limit Produkce VHE gama záření UHECR Nejenergetičtější známé částice Možné způsoby vzniku Detekce

12 Přehled přednášky Zdroje kosmického záření Supernovy Aktivní galaktická jádra Gama záblesky

13 Úvod Základy astrofyziky

14 Jednotky Astronomická jednotka (AU) 1 AU ⁶ km Parsek (pc) typický rozměr v astrofyzice ~ vzdálenost nejbližší hvězdy Proxima Centauri vzdálenost, ze které je astronomická jednotka (AU) vidět pod úhlem 1'' (=1/3600 o ) 1pc = 1AU tan 1 3, m 3, 26 ly,

15 Jednotky CGS jednotky často používané Vystačí si s mechanickými jednotkami 1 TeV = erg Fyzikální veličina CGS SI Elektrická intenzita, potenciál e. pole E, φ 4πɛ0 (E, φ) Náboj, proud a jejich hustoty q,i,ρ, j ( ) 1/ 4πɛ0 (q, I, ρ, j) Elektrická indukce D 4π/ɛ0 D Magnetická indukce, tok a vekt. potenciál B, φ, A 4π/µ 0 (B, φ, A) Magnetická intenzita H 4πµ0 H Magnetický moment m µ0 /(4π)m B-pole Země ~ 1G B-pole mezihv. ~μg Užitečný vztah: c 0 = 1 ɛ0 µ 0

16 Naše Galaxie ~10 11 hvězd Složení jádro < 10 pc ~ 2 10⁶ M disk R ~ 15 kpc h ~ 300 pc bulge R ~ 5 kpc halo R < 40 kpc

17 Atlas vesmíru

18 Atlas vesmíru

19 Atlas vesmíru

20 Atlas vesmíru

21 Historický přehled Úvod

22 Elektroskop

23 Elektroskop Vybíjení elektroskopů zbytková ionizace vzduchu Přelom století Roentgen 1895 objev RTG Becquerel 1896 objev radioaktivity objev α, β, γ záření Vybíjení způsobeno radioaktivními prvky v půdě?

24 Elektroskop

25 Zdroje přirozené radioaktivity

26 Elektroskop 1910 Theodor Wulf vyvíjí přesnější elektroskop Neočekávaně malý úbytek ionizace na vrcholu Eiffelovy věže

27 Objev kosmického záření 1912 Victor Hess - balónové lety z Ústí nad Labem Výška přes 5000 m Nejprve úbytek ionizace Od ~ 700 m ionizace opět roste Nad ~ 1500 m ionizace stejná jako na úrovni Země

28 Objev kosmického záření Efekt nadmořské výšky Růst ionizace s výškou Zbytková ionizace není pozemského původu Pozorování ve dne i v noci Není způsobena přímým slunečním světlem Implikace existence ionizujícího záření z vesmíru Nobelova cena pro Hesse v r. 1936

29 20. léta 20. století Otázka charakteru kosmického záření Co jej tvoří Milikan prosazuje γ záření Compton nabité částice

30 Nabité částice 1927 Pozorovaný efekt geomagnetické šířky (Clay) Vertical rigidity cut-off (VRCO) Ec(λ) = 14,9 cos⁴ λ GeV Ec(50 O ) = 1,1 GeV Výpočet Stoermera

31 Nabité částice

32 Polární záře

33 Nabité částice 1927 Dmitry Skobeltzyn fotografuje první dráhy KZ v mlžné komoře vystavené B-poli Stále je považuje za sekundární částice gama záření

34 Nabité částice, Bothe, Kolhoerster 2 Geiger Muellerovy čítače v koincidenci Absorpční vrstva mezi detektory Důkaz korpuskulárního charakteru KZ Koincidence způsobeny sekundárními částicemi Absorpce sek. částic podobná jako absorpce KZ v atmosféře KZ je částicového charakteru A Goldbtoek, Pb Bleiabsehirmnng, Z~Z~ Zahlrohre

35 Kladně nabité částice 1934 Západovýchodní asymetrie Bruno Rossi *"+! /012.3!"#"$%& '() *4'53,-'.)" 6.#.)"%4 7$58"97.$:" *594B5%4 7$58"97.$:" ;%&B94>"%"$C:"A

36 Kladně nabité částice Spektrum elektronů KZ

37 Kaskády částice 1934 Heitlerův model elektromagnetické kaskády Pozorované částice na Zemi jsou sekundárními částicemi z kaskád E 0 E 0 /2 E 0 /4 E 0 /8

38 Rozsáhlé spršky 1938 P. Auger, B. Rossi koincidence ve vzdálených detektorech První pozorování rozsáhlých spršek částic (Extensive Air Showers - EAS) Spršky o energiích až 10¹⁵ ev 1949 Fermi navrhuje mechanismus urychlení KZ na zmagnetizovaných mračnech mimo sluneční soustavu

39 Historie KZ 50. léta 20. století Budování urychlovačů Odtržení kosmického záření od částicové fyziky Počátky radioastronomie 60. léta Zprovoznění Haverah Parku EAS experiment spršky až ev

40 Historie KZ 60. léta Počátky RTG astronomie Gama astronomie vojenské satelity Vela detekují první gama záblesky z vesmíru 90. léta Rozvoj EAS experimentů AGASA, Fly s Eye 2004 Zprovoznění experimentu Pierre Auger Observatory Hybridní experiment, největší současný experiment pro KZ

41 Experimentální studium KZ Mechanismus urychlení Spektrum Chemické složení Anisotropie Vznik KZ Propagace KZ Zdroje KZ

42 Spektrum KZ

43 Spektrum KZ Rozsah energií Přes 10 řádů GeV ev Rozsah toků částic Přes 30 řádů Je třeba mnoho různých metod k proměření celku

44 Spektrum KZ Dolní limit Magnetické pole Země Sluneční vítr Časově proměnná modulace

45 Spektrum KZ Vliv slunečního větru Antikorelace KZ a sluneční aktivity

46 Spektrum KZ All-particles J(E) =1.8 E γ 1 cm 2 ssrgev

47 Spektrum KZ

48 Spektrum KZ All-particles Komponenty Počátek Koleno 2. koleno Kotník GZK cut-off

49 Cihly vs. KZ

50 Cihly vs. KZ Vlastnosti Rozměry 4:2:1 300 x 150 x 75 mm 4,7 kg

51 Cihly vs. KZ Vlastnosti Rozměry 4:2:1 300 x 150 x 75 mm Pád z 1 m Potenciální energie 47 J 4,7 kg

52 Cihly vs. KZ Pád z 1 m Potenciální energie 47 J Kosmické záření Energie až 50 J Cihla z částic o 50 J by měla energii 10²⁹ J Výkon Slunce ~ 4 10²⁶ W

53 Spektrum KZ