van kosmische straling

HiSPARC – High School Project on Astrophysics Research with Cosmics
Op jacht naar de oorsprong
van kosmische
straling
Onbekende bronnen
De Aarde staat bloot aan een voortdurend bombardement van deeltjes uit het heelal:
kosmische straling. We weten dat de kosmische straling met een lage energie van de Zon
en andere gewone sterren komt. Kosmische straling met veel meer energie komt van zware
sterren die aan het eind van hun leven ontploffen: de supernovae. Maar de bronnen van
kosmische straling met heel hoge energie zijn onbekend. Het is ook nog niet duidelijk door
welke natuurkundige processen in het heelal die straling zo’n hoge energie krijgt.
HiSPARC probeert daar verandering in te brengen. Met een netwerk van detectoren is de
energie en de richting van deze hoog-energetische kosmische straling te bepalen. Die
detectoren staan hier op museum & sterrenwacht Sonnenborgh en op het dak van scholen
in de buurt. Zo hoopt HiSPARC te ontdekken wat de bronnen van deze ‘kosmische
kanonskogels’ zijn.
Cosmic Shower – Deeltjesdouche uit de ruimte
Wat is kosmische straling? Wat gebeurt er als die straling op de atmosfeer van de Aarde
inslaat? En wat meet een HiSPARC-detector?
De bronnen van kosmische
straling met heel hoge energie
zijn onbekend.
De kosmische straling met heel hoge energie bestaat vooral uit waterstof- en heliumkernen.
Voor een klein deel zijn het elektronen, zwaardere atoomkernen en gammastraling. Deze
kosmische deeltjes zijn heel klein, maar kunnen toch een heel hoge energie hebben.
Vergelijk zo’n deeltje maar met een suikerkorrel die bij een botsing hetzelfde effect heeft als
de sloopkogel voor het afbreken van een gebouw.
Als een kosmisch deeltje hoog in de atmosfeer van de Aarde inslaat, botst het op een
zuurstof- of stikstofatoom. Hierdoor spat zo’n atoom uit elkaar. Dit veroorzaakt een
kettingreactie: de brokstukken van het zuurstof- of stikstofatoom botsen op andere atomen,
waardoor nog meer brokstukken ontstaan. Zo ontstaat een cosmic shower: een soort
‘deeltjesdouche’ in de atmosfeer van de Aarde. Hoe meer energie het inslaande kosmische
deeltje heeft, hoe groter deze deeltjesdouche is.
De brokstukken in een deeltjesdouche zijn vooral subatomaire deeltjes: deeltjes kleiner dan
een atoom. Veel van die deeltjes bereiken het aardoppervlak niet. Ze ‘leven’ niet lang
genoeg of ze worden onderweg door de atmosfeer van de Aarde geabsorbeerd. De deeltjes
die het aardoppervlak wel bereiken zijn de muonen. Zo’n muon is het zware broertje van het
elektron. Een HiSPARC-detector neemt deze muonen waar.
HiSPARC-detector
Simulatie van een cosmic
shower: een deeltjesdouche uit
de ruimte.
Een HiSPARC-detector neemt muonen waar. Maar hoe doet zo’n detector dat?
Om muonen waar te nemen is een detector met een scintillator en een lichtversterker nodig.
Dat werkt op de volgende manier:
2
1
internet
3
4
5
1 Een muon (blauw) vliegt dwars door de scintillator (geel) heen.
2 Het muon veroorzaakt in die scintillator een lichtflitsje.
3 Een lichtversterker (grijs) detecteert en versterkt het lichtflitsje en verandert dit in een
elektrisch signaal (rood).
4 Een computer registreert het signaal en meet de aankomsttijd van het muon.
5 De computer verstuurt deze metingen over het internet naar een centrale computer.
De centrale computer slaat de metingen van alle HiSPARC-detectoren op. Uit die metingen
is te berekenen welke energie het inslaande kosmische deeltje had en uit welke richting het
kwam.
Detectienetwerk
Hoe weten we eigenlijk wanneer een kosmisch deeltje een deeltjesdouche veroorzaakt?
Hoe meten we de energie en de richting van dat kosmische deeltje? En waarom hebben
wetenschappers scholen nodig om te helpen met de detectoren?
Een deeltjesdouche van een kosmisch deeltje met hoge energie komt maar een paar keer
per jaar voor. Maar een HiSPARC-detector neemt elke seconde zo’n zestig muonen uit
andere bronnen waar. Om te bepalen of er sprake is van een deeltjesdouche zijn meer
detectoren nodig, verspreid over een groot oppervlak. Al die detectoren moeten dan vrijwel
gelijktijdig muonen waarnemen. De centrale computer bepaalt of dat het geval is.
Het bepalen van de energie van het kosmische deeltje gebeurt door te kijken naar het aantal
muonen dat tijdens een deeltjesdouche door de detectoren vliegt. Hoe meer muonen, hoe
groter de energie van het kosmische deeltje.
Het bepalen van de richting van het kosmische deeltje gebeurt door te kijken naar het
verschil in aankomsttijd van de muonen in een deeltjesdouche bij de detectoren. Als de
muonen recht van boven komen is hun aankomsttijd bij de verschillende detectoren gelijk.
Als de muonen schuin invallen komen ze iets na elkaar bij de verschillende detectoren aan.
Uit het kleine verschil in aankomsttijdstip is de richting te bepalen. Hoe groter dit
tijdsverschil, hoe schuiner ze invallen.
Uit experimenten blijkt dat de beste afstand tussen de detectoren ongeveer 1 km is. In een
stad is dat zo’n beetje de afstand tussen de verschillende scholen voor voortgezet
onderwijs. Deze scholen zijn dus de ideale plaatsen voor een detector. En zo kunnen de
leerlingen ook meedoen met wetenschappelijk onderzoek.
HiSPARC Utrecht
In HiSPARC werken Nederlandse universiteiten en scholen voor voortgezet onderwijs
samen. Het doel daarvan is om de bronnen van hoog-energetische kosmische straling te
ontdekken. En ook om VWO-leerlingen een beeld te geven van wetenschappelijk
onderzoek. Het NIKHEF (Nederlands Instituut voor Hoge Energie Fysica) in Amsterdam
coördineert het project.
Leerlingen bouwen, testen en
installeren de HiSPARCdetectoren.
Het departement Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit Utrecht werkt mee aan dit
project. Eén van de HiSPARC-detectoren staat op het dak van museum & sterrenwacht
Sonnenborgh. Een school kan deze detector voor een jaar adopteren. Leerlingen van deze
school controleren dan regelmatig de werking van de detector. De andere HiSPARCdetectoren staan op het dak van scholen in de buurt en op de universiteit. Leerlingen van de
projectscholen bouwen de detectoren en doen de metingen.
Meer informatie: www.hisparc.nl
HiSPARC-detectienetwerk
Utrecht
1 Departement Natuur- en
Sterrenkunde, Universiteit
Utrecht
2 Museum & sterrenwacht
Sonnenborgh
3 Christelijk Gymnasium
4 St. Gregorius College
5 St. Bonifatius College
6 University College
4
1
2
6
5
Projectscholen
Christelijk Gymnasium Utrecht
St. Gregorius College
St. Bonifatius College
Leidsche Rijn College
Het Nieuwe Lyceum (Bilthoven)
Openbaar Zeister Lyceum
(Zeist)
3
Het HiSPARC-detectienetwerk in Utrecht staat onder leiding van het Instituut voor
Subatomaire Physica en het Centrum voor Natuurkunde Didactiek van de Universiteit
Utrecht.
Het detectienetwerk is mede mogelijk gemaakt door een subsidie van het K.F. Hein Fonds.
HiSPARC Utrecht, faculteit Betawetenschappen Universiteit Utrecht, departement Natuur- en
Sterrenkunde.
Buys Ballot Laboratorium, Princetonplein 5, Postbus 80.000, 3508 TA Utrecht.