In augustus 1912 maakte de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess een historische ballonvlucht die een nieuw venster op de materie in het heelal opende. Toen hij naar 5300 meter hoogte steeg, mat hij de mate van ionisatie in de atmosfeer en ontdekte hij dat deze toenam tot ongeveer driemaal die op zeeniveau. Hij concludeerde dat doordringende straling van bovenaf de atmosfeer binnendrong. Hij had de kosmische straling ontdekt.
Deze hoogenergetische deeltjes die uit de ruimte komen, bestaan hoofdzakelijk (89%) uit protonen – kernen van waterstof, het lichtste en meest voorkomende element in het heelal – maar zij omvatten ook kernen van helium (10%) en zwaardere kernen (1%), tot en met uranium. Wanneer zij op aarde aankomen, botsen zij met de kernen van atomen in de bovenste atmosfeer, waarbij meer deeltjes, voornamelijk pionen, worden gevormd. De geladen pionen kunnen snel vervallen, waarbij deeltjes worden uitgezonden die muonen worden genoemd. In tegenstelling tot pionen hebben deze geen sterke wisselwerking met materie, en kunnen zij door de atmosfeer reizen om onder de grond door te dringen. De snelheid waarmee muonen het aardoppervlak bereiken is zodanig dat er ongeveer één per seconde door een volume ter grootte van het hoofd van een mens gaat.
Een nieuwe wereld van deeltjes
Studies naar kosmische straling openden de deur naar een wereld van deeltjes buiten de grenzen van het atoom: het eerste antimateriedeeltje, het positron (het antielektron) werd ontdekt in 1932, het muon in 1937, gevolgd door de pion, het kaon en nog verscheidene andere. Tot de komst van hoogenergetische deeltjesversnellers in het begin van de jaren vijftig was deze natuurlijke straling de enige manier om de groeiende “dierentuin” van deeltjes te onderzoeken. Toen CERN in 1954 werd opgericht, werd kosmische straling dan ook opgenomen in de lijst van wetenschappelijke belangen. Maar hoewel versnellers de beste jachtgrond voor nieuwe deeltjes bleken te zijn, wordt de fysica van kosmische straling nog steeds uitgebreid bestudeerd.
De energieën van de primaire kosmische stralen variëren van ongeveer 1 GeV – de energie van een relatief kleine deeltjesversneller – tot wel 108 TeV, veel hoger dan de stralingsenergie van de Large Hadron Collider. De snelheid waarmee deze deeltjes boven in de atmosfeer aankomen, neemt af met toenemende energie, van ongeveer 10 000 per vierkante meter per seconde bij 1 GeV tot minder dan één per vierkante kilometer per eeuw voor de deeltjes met de hoogste energie. De zeer hoogenergetische kosmische stralen genereren enorme buien van wel 10 miljard secundaire deeltjes of meer, die door deeltjesdetectoren kunnen worden opgepikt wanneer ze over gebieden van wel 20 vierkante kilometer op het aardoppervlak worden verspreid.
Kosmische versnellers
Hoe bereiken kosmische stralen zulke hoge energieën? Waar zijn de natuurlijke versnellers? De kosmische stralen met de laagste energie komen van de zon in een stroom geladen deeltjes die bekend staat als de zonnewind, maar het vaststellen van de oorsprong van de deeltjes met de hogere energie wordt bemoeilijkt doordat ze draaien en keren in de magnetische velden van de interstellaire ruimte.
Er zijn aanwijzingen verkregen door het bestuderen van hoogenergetische gammastralen uit de ruimte. Deze zijn veel kleiner dan de geladen kosmische stralen, maar omdat zij elektrisch neutraal zijn, worden zij niet beïnvloed door magnetische velden. Zij genereren buien van secundaire deeltjes die op aarde kunnen worden waargenomen en die terugwijzen naar het punt van oorsprong van de gammastralen. Bronnen van de hoogenergetische gammastralen in ons eigen melkwegstelsel, de Melkweg, zijn onder meer de overblijfselen van supernovae, zoals de beroemde Krabnevel; de schokgolven van deze stellaire explosies worden al lang beschouwd als mogelijke natuurlijke versnellers. Andere bronnen van ultra-energetische gammastralen bevinden zich in andere melkwegstelsels, waar exotische objecten, zoals superzware zwarte gaten, de versnelling kunnen aandrijven. Er zijn ook aanwijzingen dat de kosmische stralen met de hoogste energie ook een dergelijke oorsprong hebben in andere sterrenstelsels.
Kosmische-stralingsexperimenten bij CERN
Zou er een verband kunnen bestaan tussen galactische kosmische straling en wolkenvorming? Een experiment in CERN maakt gebruik van de schoonste doos ter wereld om daar achter te komen.
Lees meer over het CLOUD-experiment.