Deze primaire deeltjes hebben energieën variërend van . De deeltjes met lagere waarden voor energie zijn bijvoorbeeld deeltjes uitgezonden door de zon. De deeltjes met hogere energiewaarden () hebben een energie die we op aarde in versnellers niet kunnen bereiken. Het noorderlicht ontstaat door deeltjes met een energie in de orde van een keV, die op stikstof- en zuurstof moleculen botsen. Als primaire deeltjes energieën hebben in de orde van en op atomen in de atmosfeer botsen ontstaat een lawine van allerlei secundaire deeltjes (zie figuur 1), dat een Extended Air Shower (EAS) wordt genoemd.
Deze EAS reikt afhankelijk van de energie van het primaire deeltje en de hoogte van de eerste botsing tot het aardoppervlak. Victor Hess was de eerste die deze EAS of kosmische showers daadwerkelijk gemeten heeft tijdens diverse metingen met een luchtballon in 1912. Hess merkte dat de intensiteit van de achtergrond straling hoger werd naarmate hij hoger in de atmosfeer kwam. Men dacht toen straling voornamelijk uit de aarde afkomstig moest zijn en de intensiteit dus zou moeten afnemen naar mate je verder van de aarde af kwam. Tegenwoordig wordt er veel onderzoek verricht aan kosmische straling en EAS, door onder andere de volgende onderzoeksgroepen: KASCADE, AUGER. In Nederland is dit op scholen mogelijk met HiSPARC, hiermee kunnen we EAS meten en analyseren. .
Het project HiSPARC
HiSPARC is een samenwerking van middelbare scholen en universiteiten, waarbij de scholen dienen als locatie waar de detectie stations geplaatst worden. Leraren en leerlingen installeren, beheren en onderhouden de stations, en houden de kwaliteit van de ermee verkregen meetgegevens in de gaten. Zo worden EAS in een groot oppervlak gemeten en worden middelbare scholieren betrokken bij wetenschappelijk onderzoek ondersteund door universiteiten.
Het doel van HiSPARC is om met behulp van de stations op scholen onderzoek te doen aan deze kosmische showers. Onderzoeksvragen met betrekking tot kosmische straling zijn, waar deze vandaan komen en hoe ze ontstaan. De energie en richting zijn af te leiden uit de grootte van de EAS en de tijdsverschillen in de detectoren.
De herkomst van kosmische straling
Waar kosmische straling vandaan komt is gedeeltelijk bekend. Laag-energetische deeltjes komen van de zon (de zonnewind) en van sterren uit ons melkwegstelsel. Deeltjes met energiën tot ongeveer zijn afkomstig van supernova's. Deeltjes met nog meer energie kunnen aan magneetvelden van sterrenstelsels ontsnappen en zijn waarschijnlijk buiten ons melkwegstelsel ontstaan. Hierbij denkt men aan een oorsprong van primaire deeltjes uit Gamma-Ray Bursts (GRB), aan actieve kernen van ver weg gelegen sterrenstelsels, en aan andere verschijnselen die met zeer energetische plasmajets gepaard gaan. Kosmische straling kan afkomstig zijn van zwarte gaten en actieve sterrenstelsels.
Het aantal kosmische showers wat gemeten wordt, hangt sterk af van de energie van het primaire deeltje. Primaire deeltjes met een 10 maal zo hoge energie komen globaal 1000 maal zo weinig voor. In figuur 2 zie je het diagram (op een dubbel logaritmische schaal) wat het overzicht geeft tussen de flux (aantal showers per tijdseenheid per oppervlak) tegen de energie van het primaire deeltje. Hierin is te zien dat het aantal deeltjes met een energie van één keer per jaar op een oppervlak van komt, door één gaat per seconde gemiddeld een deeltjes met een energie van . Duidelijk is te zien dat de grafiek tussen en ogenschijnlijk ophoudt. Deze grens wordt de GZK-cut off genoemd (Greisen - Zatsepin - Kuzmin limiet). Men vermoedt dat de GZK de bovengrens vormt voor de energie van kosmische straling. Zeker weten doen we dat niet omdat die energiën heel zeldzaam zijn.
HiSPARC en sterrenkunde
Het onderzoek van HiSPARC is te vergelijken met onderzoek van sterrenkundigen. Sterrenkundigen bestuderen sterren met behulp van het licht wat sterren en hemelobjecten uitzenden of terugkaatsen. De informatie die zij vinden en gebruiken zit opgesloten in het licht wat opgevangen wordt. HiSPARC meet de hoeveelheid deeltjes per oppervlakte eenheid en kijkt naar tijdsverschillen tussen aankomst van de deeltjes in de detectoren. Hiermee zijn de energie en richting van de EAS en daarmee van de kosmische straling te herleiden. In tegenstelling tot het onderzoek met telescopen kijkt het onderzoek met kosmische straling naar enkele deeltjes.
De HiSPARC detectoren kunnen de fotonen, muonen en elektronen meten die in zo'n EAS voorkomen. Een station bestaat uit twee of vier detectoren, die ieder een eigen signaal bij een detectie van een EAS geven; de pulshoogte. Is het signaal hoog genoeg en meten twee of meer detectoren binnen een kort tijdspanne een signaal, dan slaat het meetstation dit signaal als een event op in de database. Per uur worden typisch zo'n 2000 tot 3000 events geregistreerd per station. Als meerdere detectoren of stations binnen een bepaalde tijd deeltjes detecteren dan spreken we van een coïncidentie. Bij een coïncidentie behoren dus alle metingen op dat moment bij één EAS.
Meer weten over kosmische straling?
Klik dan een van de artikelen in de rechter kantlijn aan of bekijk de presentatie van Nikhef-directeur Frank Linde over kosmische straling bij de Universiteit van Nederland.
Frank Linde geeft college over kosmische straling.
