W sierpniu 1912 roku austriacki fizyk Victor Hess odbył historyczny lot balonem, który otworzył nowe okno na materię we wszechświecie. Wznosząc się na wysokość 5300 metrów, zmierzył tempo jonizacji atmosfery i stwierdził, że wzrosło ono około trzykrotnie w stosunku do poziomu morza. Doszedł do wniosku, że promieniowanie przenikliwe wnika do atmosfery z góry. Odkrył promienie kosmiczne.
Te wysokoenergetyczne cząstki przybywające z kosmosu to głównie (89%) protony – jądra wodoru, najlżejszego i najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka we wszechświecie – ale zawierają one również jądra helu (10%) i cięższe jądra (1%), aż do uranu. Kiedy docierają do Ziemi, zderzają się z jądrami atomów w górnej atmosferze, tworząc więcej cząstek, głównie pionów. Naładowane piony mogą szybko się rozpadać, emitując cząstki zwane mionami. W przeciwieństwie do pionów, te nie oddziałują silnie z materią i mogą przemieszczać się przez atmosferę, by przeniknąć pod ziemię. Szybkość docierania mionów do powierzchni Ziemi jest taka, że około jeden na sekundę przechodzi przez objętość wielkości głowy człowieka.
Nowy świat cząstek
Badania promieni kosmicznych otworzyły drzwi do świata cząstek poza granicami atomu: pierwsza cząstka antymaterii, pozyton (antyelektron) został odkryty w 1932 r., mion w 1937 r., a następnie pion, kaon i kilka innych. Do czasu pojawienia się wysokoenergetycznych akceleratorów cząstek na początku lat 50-tych, to naturalne promieniowanie było jedynym sposobem na badanie rosnącego „zoo” cząstek. Rzeczywiście, kiedy w 1954 r. powstał CERN, jego konwencja wpisała promienie kosmiczne na listę zainteresowań naukowych. Jednak mimo że akceleratory stały się najlepszymi łowiskami dla nowych cząstek, fizyka promieni kosmicznych jest nadal szeroko badana.
Energie pierwotnych promieni kosmicznych wahają się od około 1 GeV – energii stosunkowo małego akceleratora cząstek – do aż 108 TeV, czyli znacznie więcej niż energia wiązki w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Szybkość, z jaką te cząstki docierają do górnej części atmosfery, spada wraz ze wzrostem energii, od około 10 000 na metr kwadratowy na sekundę przy energii 1 GeV do mniej niż jednej na kilometr kwadratowy na stulecie w przypadku cząstek o najwyższej energii. Bardzo wysokoenergetyczne promienie kosmiczne generują ogromne strumienie do 10 miliardów cząstek wtórnych lub więcej, które mogą być wykryte przez detektory cząstek, gdy są rozproszone na obszarach tak dużych jak 20 kilometrów kwadratowych na powierzchni Ziemi.
Akceleratory kosmiczne
Jak promienie kosmiczne osiągają tak wysokie energie? Gdzie są naturalne akceleratory? Promienie kosmiczne o najniższej energii docierają ze Słońca w strumieniu naładowanych cząstek znanych jako wiatr słoneczny, ale ustalenie pochodzenia cząstek o wyższej energii jest trudne, ponieważ skręcają one w polach magnetycznych przestrzeni międzygwiezdnej.
Klucze powstały dzięki badaniom wysokoenergetycznych promieni gamma z przestrzeni kosmicznej. Jest ich znacznie mniej niż naładowanych promieni kosmicznych, ale jako elektrycznie neutralne nie podlegają wpływom pól magnetycznych. Generują one strumienie cząstek wtórnych, które mogą być wykryte na Ziemi i które są skierowane z powrotem w kierunku punktu pochodzenia promieni gamma. Źródłem promieni gamma o najwyższej energii w naszej własnej galaktyce, Drodze Mlecznej, są pozostałości po supernowych, takie jak słynna Mgławica Krab; fale uderzeniowe z tych gwiezdnych eksplozji od dawna są uważane za możliwe naturalne akceleratory. Inne źródła ultra wysokoenergetycznego promieniowania gamma znajdują się w innych galaktykach, gdzie egzotyczne obiekty, takie jak supermasywne czarne dziury, mogą napędzać przyspieszenie. Istnieją również dowody na to, że naładowane promienie kosmiczne o najwyższej energii również mają podobne pochodzenie w innych galaktykach.
Eksperymenty z promieniowaniem kosmicznym w CERN
Czy może istnieć związek między galaktycznymi promieniami kosmicznymi a powstawaniem chmur? Eksperyment w CERN wykorzystuje najczystsze pudełko na świecie, aby się tego dowiedzieć.
Czytaj więcej o eksperymencie CLOUD.