Scholierenproject “Kosmische Straling”

Het Scholierenproject
“Kosmische Straling”:
Een speurtocht naar bijzondere
signalen uit het heelal
Johan Messchendorp, KVI 2003
Waar komt materie vandaan?
Wat zijn de bouwstenen
van materie?
De eerste ideeën
warm
lucht
vuur
Bouwstenen
Eigenschappen
aarde
water
Ons huidig beeld
sinds
1974
ondeelbaar
Klein,kleiner,kleinste…
sinds
1897
ondeelbaar
Onderzoek naar de bouwstenen
van materie
Kernen onder de microscoop:
Deeltjesversnellers!
Waarom versnellen we
eigenlijk deeltjes?
Oplossend vermogen
Regel 1
Alle deeltjes bezitten een
golflengte (quantumfysica)
Regel 2
De golflengte van de straling
waarmee een object onderzocht
wordt, moet kleiner zijn dan de
afmetingen van het object zelf!!
Object
Afmeting (L)
Stralingsenergie
atoom
10-10 m
0.00001 GeV (e-)
kern
10-14 m
0.01 GeV (a)
nucleon
10-15 m
0.1 GeV (e-)
?
> 1 GeV (*)
quark
(*)
1 GeV = 109 eV
Atomen “zichtbaar” maken
Scanning Elektronen Miscroscoop
 Elektronen met 20 keV energie
 Resolutie ~10-11 m
Cesium/Gallium-Arseen 7x7 nm
Atomen worden zichtbaar!
Kernfysisch Versneller Instituut
0.2 GeV protonen en zwaardere kernen
Oplossend vermogen ~ 10-15 m
Large Hadron Collider (CERN)
2007-2015(?)
CERN @ Genève
s’Werelds krachtigste microscoop:
7,000,000 GeV
oplossend vermogen ~10-22 m
Deeltjesversnellers
Versneller
SEM
KVI
LHC@CERN
Kosmische bronnen
Maximale Stralingsenergie
0,00002 GeV
0,2 GeV
7,000,000 GeV
320,000,000,000,000 GeV
Kosmische straling:
Natuurlijke deeltjesversnellers uit het heelal!!
Kosmische Straling?
Kort door de bocht:
Invallende deeltjes uit het heelal
90% protons (=waterstofkern)
9% heliumkern
“Ontdekking” van kosmische straling
Experiment met elektroscoop
Geladen staaf
Metalen staaf
Isolatiemateriaal
Glazen fles
Reepjes metaalfolie
+
+
Een opgeladen elektroscoop
ontlaadt spontaan
Ontdekking van Theodor Wulf: 1909
(Nederlandse priester!)
Verklaring…..
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Ionisatie door invallende
straling
Ontlading van elektroscoop
straling
Waar komen deze deeltjes vandaan?
Priester: uit de hemel?
Oorsprong van straling?
Priester: meting op de Eiffeltoren
Ontlading van elektroscoop
nog sneller!
Straling dus neemt toe des
te hoger in de atmosfeer!
“Ontdekking” van kosmische straling
Viktor Hess : Oostenrijkse wetenschapper
1911-1913, ballonvluchten tot 5km hoog
Straling neemt inderdaad toe des
te hoger in de atmosfeer!
Ontdekking van kosmische straling
1936 Nobelprijs winnaar
Dus kosmische straling bestaat, maar…
Waar komt het vandaan?
En hoe kunnen we het meten?
De zon, een bron van straling
Noorderlicht=Poollicht
De zon, een bron van energie
De zon produceert energie door kernfusie
Massa wordt omgezet in
andere vormen van energie:
licht, warmte,…
Per seconde wordt 700,000,000 ton waterstof
omgezet in 695,000,000 ton helium
De zon, een bron van straling
De zon gezien door een filter
Uit de corona ontstaat
de zonnewind
De zon, een bron van straling
De zonnewind wordt afgebogen
door het magneetveld van de
aarde
Botsing van geladen deeltjes
met atomen in de atmosfeer....
Zeer hoog-energetische straling
Aantal deeltjes per seconde
per vierkante meter als functie
van de energie
Energie kan oplopen tot
300.000.000.000.000.000.000 eV
(vergelijk KVI:
200.000.000 eV)
=energie van een tennisbal met
snelheid van 300 km/h
En dat voor 1 kerndeeltje!!!!
Afstanden in universum
Straal aarde:
6.400 km
Afstand aarde-maan:
380.000 km
Afstand aarde-zon:
150.000.000 km
Grootte zonnestelsel:
600.000.000.000 km
Grootte melkweg: 1.500.000.000.000.000.000 km
= 160.000 Lichtjaren
Grootte universum:
10.000.000.000 Lichtjaren
De melkweg is een eiland van
honderden miljarden sterren .
Mogelijke bron van hoogenergetische straling
Een supernova is een
zware ster die onder zijn
eigen gewicht instort.
De buitenste lagen
worden weggeblazen.
Daarbij worden deeltjes
versneld tot zeer hoge
energie.
Supernova 1987A
De meest recente
met het oog
zichtbare
supernova vond
plaats in 1987.
Energie van 1065 eV
= 1032 * atoombom
10 miljoen oude ster met een massa van
20xZon en 170.000 Lichtjaren van de aarde.
Actieve sterrenstelsel
Actieve kernen van
sterrenstelsels zijn
superstralers; wat is de
bron?
Een jet uit de kern van het
melkwegstelsel M87 (Virgo A),
60.000.000 Lichtjaren ver.
De kleine heldere bron heeft
een massa van ruim 3 miljard
zonnen.
Hoe meten we nu hoogenergetische kosmische
straling op aarde?
Aantal deeltjes in atmosfeer per km2:
• Energie > 1016 eV 12 events/jaar
• Energie > 1017 eV 9 events/jaar
• Energie > 1018 eV 1 event /jaar
• Energie > 1019 eV 6 events/eeuw
Oeps, hoe kunnen we dan toch nog meten?
Antwoord: Atmosfeer als vergrootglas!!!
Een regen van deeltjes
Kosmische deeltjes botsen in
top van atmosfeer met
zuurstof- en stikstofkernen.
Een lawine van nieuwe deeltjes
wordt geproduceerd.
Meetstations op aarde kunnen lawine
meten en zodoende de energie en positie
van invallend deeltje reconstrueren.
Hoe ziet zo’n meetstation eruit?
In scintillatormateriaal maken
de deeltjes een lichtflits
De flits wordt door een
lichtversterker omgezet in
een elektrisch signaal
Via GPS wordt voor elke
gebeurtenis een tijdstempel
opgevraagd
De verkregen data wordt via
internet verzameld door
centrale server
Hoe ziet zo’n detector eruit?
Meetstation op school
Detector in skiboxen op
het dak van school in
Nijmegen
Data van twee scholen
combineren
Data van 2 stations
combineren.
Duidelijke coincidentie!
Het bewijs van kosmische
straling!
Thema’s voor projecten

Natuurkunde:





Bouw der materie: deeltjes, kernen, straling
Elektromagnetisme: beweging van geladen deeltjes in e.m. velden
Optica: lichtgeleiding, lichtversterking
relativiteit
Sterrenkunde:
 Sterevolutie
 Kosmische achtergrondstraling

Techniek:
 Stralingsdetectie
 GPS
 Electronica

Informatica:
Voor ieder wat wils!!
 Internet
 Data uitlezing

Wiskunde/statistiek:
 Coincidenties, toeval vs. signaal
 Significantie van correlaties
Hoe werkt een meetstation?
Wat zijn de onderdelen in
een meetstation?
Hoe wordt de afgegeven
energie van geladen deeltjes
omgezet in een elektronisch
signaal?
Hoe wordt een detector
gebouwd?
Bouw je eigen detector op
het KVI!
Het Global Positioning System
1980 ontwikkeld door
Amerikaanse leger
positie en tijdsbepaling mbv
signalen van satellieten
Hoe worden positie en
tijd bepaald??
Wiskundig probleem!!
Relativiteit…
Relativiteit?… Einstein!!
“Alles is relatief” ????
Tijd en ruimte voor deeltjes met een
snelheid dicht bij de lichtsnelheid worden
relatieve begrippen…voorbeeld:
Proton met E=1020 eV
v=lichtsnelheid
Afkomstig van Virgo = 60.000.000 lichtjaren
Dus heeft het volgens aardse meting
60.000.000 jaren gereisd
Relativiteit: deeltje heeft zelf slechts
5 dagen gereisd!!
????
Het Scholierenproject
“Kosmische Straling”
Interesse om mee te doen?
1) Vraag je leraar…of…
2) Neem met mij contact op…of…
3) http://www.kvi.nl/~scholieren