Sinar Kosmik: Zarah Bertenaga Tinggi dari Angkasa

Sinar kosmik terdiri terutamanya daripada proton dan nukleus atom, dengan sebahagian kecil elektron serta zarah lain. Zarah ini bergerak pada kelajuan yang sangat tinggi dan membawa julat tenaga yang sangat luas. Oleh sebab ia bercas elektrik, perjalanannya boleh dibelokkan oleh medan magnet di angkasa.

Zarah primer mencetuskan hujan zarah sekunder

Zarah yang tiba dari angkasa dipanggil sinar kosmik primer. Apabila zarah primer berlanggar dengan nukleus atom di atmosfera atas, perlanggaran itu boleh menghasilkan banyak zarah baharu. Zarah sekunder ini kemudiannya boleh berlanggar lagi dan membentuk lata atau hujan zarah yang merebak melalui atmosfera. Oleh itu, pengesan di permukaan Bumi lazimnya merekod zarah sekunder, bukannya zarah primer asal.

Dari manakah tenaga yang sangat tinggi itu datang?

Banyak sinar kosmik galaksi pada julat tenaga tertentu dipercayai dipercepat oleh gelombang kejutan, termasuk di sisa supernova. Namun, sumber bagi sinar kosmik yang paling bertenaga masih belum dikenal pasti dengan lengkap. Pada tenaga yang berbeza, lebih daripada satu kelas sumber dan mekanisme pecutan mungkin terlibat.

Pengesan membaca tenaga, cas dan jejak zarah

Belon altitud tinggi dan instrumen di angkasa boleh mengukur sinar kosmik primer sebelum banyak interaksi atmosfera berlaku. Di permukaan, susunan pengesan yang luas merekod zarah daripada hujan atmosfera. Corak tenaga yang dipindahkan, jejak zarah dan isyarat cahaya yang dihasilkan dalam bahan pengesan membantu penyelidik menganggar tenaga serta komposisi zarah asal.

Angka dan skala tenaga

Dalam sinar kosmik primer, kira-kira 90 peratus ialah proton, kira-kira 9 peratus nukleus helium, dan selebihnya nukleus lebih berat serta sedikit elektron; peratusan ini anggaran dan berbeza dengan tenaga. Tenaga zarah merentasi julat yang sangat luas, daripada kira-kira 10⁹ eV hingga melebihi 10²⁰ eV. Satu zarah dengan kira-kira 3 × 10²⁰ eV direkodkan pada 1991, iaitu kira-kira 50 J, setanding tenaga sebiji bola besbol yang bergerak kira-kira 95 km/j, tetapi tertumpu pada satu zarah subatom. Di aras laut, pengesan biasanya merekod kira-kira satu muon sekunder bagi setiap sentimeter persegi setiap minit.

Medan magnet menyukarkan pencarian arah asal

Foton tidak mempunyai cas elektrik, maka laluannya tidak dibelokkan oleh medan magnet seperti zarah bercas. Arah ketibaan foton lazimnya dapat digunakan untuk menentukan arah sumbernya, tetapi zarah kosmik bercas boleh membengkok ketika melalui medan magnet galaksi dan antara galaksi. Kesan ini menjadikan arah ketibaannya di Bumi tidak semestinya sama dengan arah sumber. Pada tenaga yang amat tinggi, pembelokan boleh menjadi lebih kecil, namun penentuan sumber masih bergantung pada statistik banyak peristiwa dan model medan magnet.

Sejarah ringkas

Pada 1912, Victor Hess menaiki belon sehingga ketinggian kira-kira 5 km dan mendapati bahawa pengionan udara bertambah dengan ketinggian, yang menunjukkan sumber sinaran dari angkasa. Beliau dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik 1936, dikongsi dengan Carl Anderson.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?