Kosmiska fyrverkerier och det subatomära regnet Mark Pearce KTH Fysik pearce@particle.kth.se AlbaNova öppna föreläsningar 4 april 2005
Översikt Det subatomära regnet Vad det är Varför det är intressant! De mest energirika partiklarna i universum... och hur de studeras
Del 1: Det subatomära regnet
Det subatomära regnet Håll ut din hand... När du har läst klart den här sidan, har 20 kosmiska partiklar färdats omärkligt genom din hand med ljusets hastighet! Kosmiska partiklar bildas när jordens atmosfär bombarderas med partiklar från yttre rymden De är ett naturligt inslag i vår vardag och är orsaken till bl.a. norrsken Bland dessa partiklar finns de mest energirika föremål någonsin observerade i vårt universum
1912: Upptäkten av Kosmisk strålning lning Victor Hess steg till 5000 m i en ballong Mätte strålningsnivåer med ett elektroskop...... och upptäckte att strålningen steg ju högre upp han kom Detta var oväntat! Bakgrundsstrålning en troddes komma från jorden 1926 Millikan (ursprungligen en icke-troende!) myntade termen cosmic rays (kosmisk strålning)
Kvantvärlden i 1912 radioaktivitet H. Becquerel M. and P. Curie elektron J.J. Thomson kosmisk strålning Victor Hess proton E. Rutherford
En resa in i dagens atomära världv [http://www.nobel.se/physics/educational/matter] Kvarkar Elektroner Elementarpartiklar (ingen inre struktur)
Dagens bild av kosmisk strålning Toppen av atmosfären ~90% protoner ~9% kärnor ~1% elektroner ~40 km
Antal 1 ev = 1.6 x 10-19 Joules Antal 1000 1 ev 0 ev e - Energi X 10 1 volt Energy of an air molecule in this room = 0.03 ev (1 000 000 000 ev) Energi
[LEP / CERN] Antal [Tevatron / Fermilab] [LHC / CERN] Energi
Antal Solutbrott Norrsken Energi
Antal En supernovaexplosion signalerar slutet på en stjärnas liv Energi
Supernova-explosioner explosioner En supernova-explosion signalerar slutet på en stjärnas liv Kan förklara större delen av energispekrat Partiklarna hålls fångna inuti supernovan av dess magnetiska fält och ackumulerar energi KRÄFTANS NEBULOSA Kineserna såg stjärnan explodera år 1054. MEN tillslut räcker inte supernovans storlek till för att behålla partiklarna
Antal Snabbaste tennis serven (68 g @ 246 km/h) ~10 19 ev ~ 5 Joules? Energi
Att nån de högsta h energierna Fortfarande en öppen fråga! Men, såklart har vi ideer... (1) Bottom-up processer? Vanliga partiklar accelererade till ultra-höga energier Active Galactic Nuclei Gamma ray bursts Radio galaxies (2) Top-down processer? Kosmiska partiklar föds med ultra-höga energier (3) Beter sig Naturen annorlunda vid ultra-höga energier?? Toplogiska defekter i rumtidens väv Sönderfallet av enormt massiva partiklar skapade vid Universums födelse
Ett till problem... (fotoner) Big Bang
Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe T = 2.7 K (- 270.3 o C) + 0.00001 K - 0.00001 K
Kosmisk bakgrundsstrålning Idag... [T = 2.7 K] Kosmisk proton
Paradoxen... Vi vet inte hur de energirika partiklarna får sin energi, men mina kollegor på teorisidan har inga problem att drömma upp fantasifulla ideer! Växelverkan med den kosmiska bakgrundsstrålningen innebär att de ultrahög-energetiska partiklarna måste skapas i vår närhet (vårt lokala galaxkluster)... men, vi känner våran bakgård ganska bra och har inte sett några tecken på sådana källor En brinnande fråga inom astrofysik idag!
Del 2: Hur studerar man de mest energirika partiklarna i Universum?
Atmosfäriska skurar av partiklar Toppen av atmosfären Kortlivad! ~ 40 km Långlivad! Stabil! Marken
Atmosfäriska skurar av partiklar För de högsta energierna: Skurarna kan innehåller miljarder av partiklar Och kan täcka en yta av många km 2
Att detektera de atmosfäriska skurarna (2) Detektera partiklarna i skuren när de får molekyler i luften att flourescera (1) Detektera partiklarna i skuren när de träffar jorden
Ett teleskop för f r kosmisk strålning
[scintillator] En Scintillationsdetektor En Scintillationsdetektor Kosmisk partikel ( myon, µ) [fotoner] [fotomultiplikator] [till elektroniken] Fotoelektriska effekten (1905) [elektrisk puls]
Att detektera Myoner Kosmisk myon fotomultiplikator elektronisk räknare scintillator elektrisk puls
När r man separerar scintillatorerna µ
När r man roterar teleskopet µ µ
Vad stoppar en myon? µ [block av bly] 5 cm
Akeno Giant Air Shower 1 km Array (AGASA) Japan 100 km 2 ~100 scintillatordetektorer 100 km 2
Hi-Res(olution Fly s s Eye) Två mätstationer, 12.6 km ifrån varandra i Utah-öknen, USA Måste vara mörkt för att mäta! likt en 4W blå lampa flygandes genom atmosfären
Antal AGASA mot Hi-Res [AGASA: nätverk av detektorer på marken] [Hi-Res: air fluorescence] 10 19 ev 10 20 ev Energi
[3000 km 2 ] 1600 detektorer på marken / 4 fluorescence teleskop
Rymden Scintillatorer Atmosfäriska skurar av partiklar Jordens atmosfären Kosmisk partikel
10 15 ev 10 17 ev 10 19 ev
GPS satellit t 1 = t 2 = t 3? t 1 t 2 Internet t 3 Gymnasieskola
Photo: P. Walck
Live Demonstration! [To the live demonstration]
Gymnasielever i partikeljakt! Vi behöva flera skolor! När nätverket av skolor växer kan skurar med högre och högre energi detekteras Vi vill att gymnasielever hjälper oss att bygga, installera, underhålla och ansvara för detektorstationen på deras skola...... och bidra till partikeljakten med data från deras detektor Liknande projekt är på gång runtom Europa...... goda möjligheter för samarbete över gränserna!
Tack till: Petter Hofverberg för hjälp med översättningen! Följ gärna våra framsteg! http://www.particle.kth.se/seasa
** S P A R E S **
The GZK (Greisen Zatsepin Kuzmin) p + γ cmb + + Limit p + π 0 n+ π + When this process is energetically allowed (~ 5 x 10 19 ev), space becomes opaque to cosmic rays Sources of CR with energies above the GZK limit must be close ie: within the well known local galactic cluster... No known acceleration sites for such high energies...
Fermi-acceleration i magnetfält vid relativistisk shockfro partikel R > R gyro = p/eb
Supernovae Remnants Optical Radio X-ray
Exotic Sources? Ultra-high energy cosmic rays >~10 16 ev/n cannot be accelerated by supernovae shocks Where the ultra-high energies come from is a mystery at present Some ideas: Active Galactic Nuclei? Quasars? Gamma ray bursts? Topological defects?
Now NE scintillator recycled from CP-LEAR Wavelength shifter read-out Hamamatsu R5900U PMTs Future Single sheets of scintillator (1m x 30 cm x 1.5 cm) remove the need for (expensive!) wavelength shifting read out Hamamatsu R5900U PMTs replaced with the much cheaper Hamamatsu R6094 (Ø 28 mm) / Photonis XP3314 (Ø 76 mm)
~1 m NE scintillator recycled from CP- LEAR Wavelength shifter read-out Hamamatsu R5900U PMTs (spares from PAMELA) All of these will be changed in next phase... 13 cm Car roof boxes used to provide cheap and weatherproof housing No temperature control
Titanic sjönk Livet - år r 1912 Första non-stop flygningen mellan Paris och London Amundsen upptäcker Syd-polen Sverige deklarerar sig neutralt Blixtlås användes för första gången
Atmosfäriska skurar av partiklar För de högsta energierna: Skurarna kan innehåller miljarder av partiklar Och kan täcka en yta av många km 2