Raggi cosmici: - Individuazione e composizione

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I raggi cosmici sono particelle cariche, elettroni e ioni caricati positivamente che vanno da protoni agli elementi più pesanti, che arrivano sulla Terra dallo spazio. Circa il 98 per cento dei raggi cosmici sono nuclei carichi positivamente, con la maggior parte del resto essere elettroni con carica negativa. Anche se alcuni dei raggi cosmici di energia più bassi sono particelle emesse dal sole della Terra, la maggior parte dei raggi cosmici sono troppo energico per essere confinata al sistema solare e sono campioni di materiale provenienti da altre parti della galassia. Poiché i raggi cosmici sono particelle cariche, i loro percorsi dalle sorgenti alla Terra sono piegati dai campi magnetici della galassia. Come risultato, astronomia tradizionale in cui è tracciato radiazione elettromagnetica intercettato da un rivelatore, come un telescopio, indietro in una linea retta alla sua fonte non è possibile con i raggi cosmici. Tuttavia, i raggi cosmici forniscono indizi importanti per i processi che avvengono nelle stelle, supernova, e da altre sorgenti astrofisiche.

Misurazione della composizione dei raggi cosmici permette rispetto alla composizione della terra, i rendimenti lunari campioni dalle missioni Apollo, le meteoriti, e il sole. In questo modo i processi attraverso i quali vengono prodotti gli elementi all'interno delle stelle per essere esaminato e confrontato ai modelli teorici di nucleosintesi.

Il nucleo di ogni elemento ha una carica unica, quindi i metodi per la determinazione della composizione dei raggi cosmici richiedono una misurazione della carica di ogni singola particella raggi cosmici. Generalmente, queste tecniche richiedono due tecniche di misurazione indipendenti. La prima misurazione potrebbe determinare il tasso al quale il raggi cosmici perde energia in attraversando il rivelatore. Questo tasso di perdita di energia è proporzionale al quadrato del rapporto della carica alla velocità della particella. Una seconda misura può quindi determinare la velocità o qualche altra proprietà che dipende dalla velocità in modo diverso rispetto al tasso di perdita di energia. Da queste due misure, la carica può essere determinato.

Un certo numero di tecniche innovative di misurazione di carica sono stati sviluppati. Questi rivelatori possono essere suddivisi in tre categorie generali: rilevatori di registrazione, come ad esempio emulsioni fotografiche; rilevatori visivi, come nuvola di camere, e dei rivelatori elettronici, come ad esempio i contatori Geiger-Muller.

Alla fine del 1940, un gruppo di ricercatori raggi cosmici presso l'Università del Minnesota e l'Università di Rochester impiegato emulsioni fotografiche realizzate ad altitudini elevate, spesso superiori a 27.000 metri, con palloncini per determinare la carica e l'energia dei raggi cosmici. Queste alta quota sono stati necessari perché le collisioni tra raggi cosmici in arrivo e molecole d'aria possono causare i raggi cosmici a frammentarsi in più nuclei più leggeri, alterando così la loro composizione. Ad alta quota, la probabilità di una collisione è bassa, pertanto, i rivelatori palloncino misurare la composizione primaria delle particelle nello spazio. Questi primi esperimenti hanno dimostrato che dei nuclei nei raggi cosmici, circa l'87 per cento sono idrogeno, o protoni, 12 per cento sono di elio e il restante 1 per cento sono nuclei più pesanti dell'elio. E 'la composizione di questi nuclei più pesanti che contengono gli indizi ai processi di nucleosintesi.

Dopo il rilevamento iniziale di nuclei pesanti tra i raggi cosmici, l'enfasi ricerca raggi cosmici connesse spostato alla determinazione dello spettro di carica, o abbondanza relativa, di ciascuno degli elementi. I primi esperimenti fatto uso del campo magnetico della terra come selettore di velocità. I percorsi di particelle cariche sono piegati quando incontrano un campo magnetico, le particelle così solo superano una soglia determinata energia può penetrare attraverso una regione di determinata intensità di campo magnetico. Il campo magnetico della terra è così forte prossimità dell'equatore che solo le particelle con velocità molto vicino alla velocità della luce può penetrare. Così, per raggi cosmici rilevati vicino all'equatore, il cutoff magnetica identifica la velocità a circa la velocità della luce. Una singola misurazione del tasso di perdita di energia per queste particelle fornisce una misura della loro carica.

Questi primi esperimenti indicata la difficoltà di individuazione dei nuclei pesanti tra raggi cosmici. A 1 metro quadrato rilevatore collocato nello spazio, sopra l'atmosfera terrestre e fuori del campo magnetico terrestre, che registra diverse centinaia di protoni nonsolar al secondo e oltre un settimo quel numero di nuclei di elio. Eppure, solo uno o due nuclei più pesanti di carbonio sarebbe misurato ogni secondo, e il rilevatore registrare un singoli nuclei di ferro ogni quindici secondi. Per osservare un singolo nucleo di piombo richiederebbe diversi mesi di funzionamento del rilevatore. Astrofisici dei raggi cosmici ha riconosciuto che i rivelatori di grandi dimensioni con tempi di esposizione lunghi sarebbero necessari per determinare con precisione la composizione dei raggi cosmici pesanti.

Nel 1956, Frank McDonald, un fisico alla Iowa State University, ha sviluppato una combinazione di due rivelatori elettronici, un contatore a scintillazione e Cherenkov contro-per determinare la carica e la velocità dei raggi cosmici. Questa combinazione di rilevatori fornito buone misure di abbondanza elementare per gli elementi fino al ferro. Gli elementi più pesanti che il ferro erano così rare che la loro identificazione ha richiesto una nuova tecnica. Nel 1960 metà Robert Fleischer, Buford Price, e Robert Walker, i ricercatori della General Electric Research e Development Center, ha scoperto che le tracce di particelle ionizzanti sono stati registrati in alcuni tipi di plastica e che questi percorsi potrebbe essere rivelato in seguito incidendo la plastica in un agente chimico appropriato. Essi hanno dimostrato che, se il tasso al quale il percorso è stata incisione così come la lunghezza totale attaccabile entrambi misurata, la carica e l'energia della particella può essere determinata. Voli in mongolfiera con questi rilevatori di plastica fornito informazioni sulla composizione degli elementi più pesanti nei raggi cosmici.

Lo sviluppo di rivelatori elettronici ad alta risoluzione, permettendo determinazioni di alta qualità della composizione isotopica, hanno mostrato differenze significative tra il neon magnesio, silicio e le abbondanze isotopiche nei raggi cosmici e la materia del sistema solare. I progressi nella modellazione dei processi nucleari all'interno delle stelle astrofisici permesso di calcolare che la maggior parte di queste discrepanze erano coerenti con nucleosintesi in una stella con il carbonio, azoto e ossigeno abbondanze circa il doppio di quello della terra. Lunga durata, grande area rilevatori di raggi cosmici, possibilmente su una stazione spaziale, saranno necessari per determinare l'abbondanza di elementi più pesanti di bismuto, permettendo un confronto diretto della composizione dei raggi cosmici con quello atteso per r-processo di nucleosintesi in supernova, che sono suggeriti come sorgente di raggi cosmici.

Riferimenti: -

1) Friedlander, Michael W. "raggi cosmici". Harvard University Press, 1989.

2) Ginzburg V.L. e S.I.Syrovatskii. "L'origine dei raggi cosmici", Macmillan 1964

3) Rossi, Bruno. "Raggi cosmici" McGraw Hill 1964.

4) E molti siti web più.