Verre bronnen van Kosmische straling ontdekt.

Een superzwaar actief zwart gat in de kern van het verre sterrenstelsel PKS 1441, een blazar, versnelt protonen (de gele p) naar de zeer hoge energieniveaus van kosmische straling. Door de NASA is deze blazar een Bonanza genoemd, een ‘goudmijn’ op een afstand van 7 miljard lichtjaar.
NASA-blazar-bonanza. Hierdoor wordt een complexe cascade gecreëerd, die gammastralen (magenta) en ook de ‘geheimzinnige’ neutrino’s (blauw) afgeeft, die rechte paden door de ruimte volgen.
De gekoppelde detectie van deze twee deeltjes stelde astronomen in staat om de blazar te identificeren als één van de vele bronnen van kosmische straling.


Terwijl materie in de richting van het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel valt, wordt een deel ervan naar buiten versneld met bijna de snelheid van het licht langs jets die in tegengestelde richting wijzen. Wanneer één van de jets toevallig in de richting van de aarde is gericht, kan deze gedetecteerd worden. Hierin wordt een complexe cascade gecreëerd.

Extensive Air Showers
Een deeltje (proton) dat door de atmosfeer beweegt,
botst op andere deeltjes en breekt in nóg kleinere deeltjes uiteen. Het hele proces blijft zich herhalen, waardoor er een lawine aan deeltjes ontstaat. Zo creëert één enkel proton uit het heelal miljoenen deeltjes die op de aarde terecht komen.

Wanneer hoogenergetische deeltjes (kosmische “stralen”) de atmosfeer binnenkomen, verliezen zij hun energie via interacties met luchtmoleculen. Zulke deeltjes raken hoog in de atmosfeer altijd een atoomkern in een molecuul lucht (meestal zuurstof of stikstof). Daarna treedt een kernreactie op, die secundaire deeltjes produceert (vooral pionen en muonen), die vervallen of opnieuw kernreacties aangaan met andere atoomkernen in de lucht. Deze nieuwe deeltjes maken vervolgens meer deeltjes, enz. Dit vermenigvuldigingsproces staat bekend als een deeltjescascade.
Dit proces gaat door totdat de gemiddelde energie per deeltje onder ongeveer 80 MeV (80 miljoen elektronvolt) zakt. Op dit punt leiden de interacties tot de absorptie van deeltjes en begint de cascade uit te doven. De deeltjescascade ziet eruit als een pannenkoek met deeltjes die met de snelheid van het licht door de atmosfeer reizen. Hoewel het aantal deeltjes in de pannenkoek afneemt, groeit de grootte van de pannenkoek altijd omdat de interacties ervoor zorgen dat de deeltjes zich vermengen.
Wanneer de pannenkoek de grond bereikt, is deze ongeveer 100 meter breed en 1-2 meter dik. Als het primaire kosmische deeltje een foton was, bevat de pannenkoek elektronen, positronen en gammastralen. Als het primaire kosmische deeltje een atoomkern was, bevat de pannenkoek ook muonen, neutrino’s en hadronen (protonen, neutronen en pionen). Het aantal deeltjes in de pannenkoek hangt af van de energie van de primaire kosmische deeltjes, de observatiehoogte en schommelingen in de ontwikkeling van de ‘shower’. Deze deeltjespannenkoek staat bekend als Extensive Air Shower, een uitgebreide luchtdouche.
Bron: Pierre Auger Observatorium en Kennisklink

Development-of-a-cosmic-ray-shower-over-the-pierre-auger-observatory

Deeltjesdetector Pierre Auger – Radboud Universiteit

Artist impression van de reis van een kosmisch deeltje van een ver sterrenstelsel in de richting van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Dit observatorium is speciaal gebouwd om zulke showers te detecteren. Het bestaat uit een netwerk van detectors en telescopen over een oppervlakte van drieduizend vierkante kilometer, op een onbewoond stuk pampa in Argentinië. Het detectornetwerk moet zo groot zijn omdat deze deeltjes uitermate zeldzaam zijn: er komt ongeveer één ultrahoog energiedeeltje neer per jaar per vierkante kilometer aardoppervlak

Zoals je in de impressies hierboven ziet en leest, is kosmische straling helemaal geen straling zoals lichtstralen of gammastralen. Het is eerder een deeltjesregen dat bestaat uit de meest energetische deeltjes die er zijn.

Hun oorsprong is te vinden ver van de Aarde zoals bij Supernovae en, zoals hierboven vermeld, bij Blazars, Quasars en ook bij Pulsars. Pulsars zijn de snelheidsduivels van het heelal …

Deeeltjeslawines worden ook wel ‘extensive air-showers’ genoemd.
Video Waarom-is-kosmische-straling-levensgevaarlijk-voor-astronauten, maar niet voor gewone stervelingen die liever niet de ruimte willen verkennen….

Kosmische straling is dus afkomstig van bronnen buiten ons Zonnestelsel. Het grootste deel, de galactische straling, komt zelfs van bronnen buiten ons Melkwegstelsel. De galactische straling bestaat voor 90% uit protonen en elektronen, voor de rest uit lichte heliumkernen en kernen van koolstof en stikstof.

Als deze snelle deeltjes de aardatmosfeer binnendringen, kunnen ze met daarin aanwezige vloeistofdeeltjes en vluchtige stofjes zoals roet van het verkeer, botsen waardoor deze tot minuscule druppeltjes condenseren. En rond deze druppeltjes kunnen vervolgens wolken ontstaan.

Maar ook de Zon is een bron van lichte kosmische straling. Deze solaire straling bestaat vooral uit protonen en elektronen met lage energie. Deze deeltjes hebben te weinig energie om ver de atmosfeer binnen te dringen, maar ze beïnvloeden het magnetisch veld rond de aarde en daarmee indirect de intensiteit van de galactische straling. De hoeveelheid kosmische straling die de aarde bereikt, is niet constant: ze wordt beïnvloed door de zon. Als de Zon actief is, weert het zonne-magnetisch veld meer kosmische straling af dan tijdens rustige perioden en is er minder bewolking. Sterke zonne-activiteit verhoogt de bijdrage van solaire straling. Het magnetisch veld rond de aarde wordt door de zonne-activiteit zodanig beïnvloed dat de bijdrage van galactische straling afneemt.

Maar wat zijn nou die ‘geheimzinnige’ neutrinos?

Video juni 2018: Secrets of the universe may lie in an old gold mine in South Dakota The-international-hunt-for-the-ghost-particle.

Wetenschappers geloven dat gelijke delen gewone materie en antimaterie hadden moeten worden gecreëerd tijdens de vorming van het universum. Maar dat gebeurde niet en niemand weet waarom. In plaats daarvan wordt het zichtbare universum gedomineerd door gewone materie.

Neutrino’s kunnen de reden zijn waarom – natuurkundigen hebben er de komende 10 jaar alles voor over om uit te vinden.

Neutrino’s zijn lastige kleine dingetjes, die behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het universum. Ze hebben nauwelijks interactie met wat dan ook en reizen met een gigantische vaart dat grenst aan de lichtsnelheid. Drie biljoen neutrino’s vlogen gewoon door je lichaam terwijl je de laatste twee zinnen las – en dát is de grote uitdaging voor de onderzoekers. Misschien zou het beter zijn als ze je gewoon passeren, maar als je ze probeert te meten, betekent dit dat je gigantische detectoren nodig hebt om slechts een paar interacties te zien en ze dan te kunnen meten.

The Super-Kamiokande neutrino detector in Japan

Om de kleinste dingen te meten, moet alles groter zijn: wetenschappers willen meer neutrino’s vangen met grotere detectoren. Want hoe groter de detector, hoe meer reacties er per jaar voorkomen. En alles moet diep onder de grond worden geplaatst om het tegen kosmische stralen te beschermen. In het komende decennium zullen geavanceerde, ultramoderne technologie gebruikt worden om de detector te bouwen en data-verzamelsystemen creëren die vastleggen en analyseren wat er binnenin gebeurt. Het ingewikkelde proces omvat een reeks taken, waaronder het maken van elektronica die kan werken bij temperaturen rond -150 graden Celsius. Voor de ‘grootste ijskist ter wereld’, is vloeibaar argon nodig, dat de koele omgeving vereist.

Vloeibaar argon, een edelgas, is wat neutrino’s – en antineutrino’s, hun tegenhanger, net als materie en antimaterie – in de detector tegenkomen, waardoor wetenschappers kunnen zien wat er gebeurt bij de zeldzame gelegenheid dat de mysterieuze deeltjes interageren met atomen. Verschillen in het aantal en de eigenschappen van neutrino’s versus antineutrino’s zouden kunnen aangeven waarom materie in ons universum domineert boven antimaterie en kunnen wellicht laten zien of neutrino’s een rol hebben gespeeld bij de vorming van het universum.

Even iets dichter bij huis:

Het neutrino is een elektrisch ongeladen subatomair deeltje, net als het elektron. De voornaamste interactie die neutrino’s vertonen is de zwakke kernkracht: neutrino’s zijn niet gevoelig voor de sterke kernkracht en ook niet voor elektromagnetische interacties. Doordat het neutrino zo weinig wisselwerking vertoont met materie, gaat het bijna ongehinderd door gewone materie heen. Een blok lood zou een lichtjaar (circa 9,5 biljoen km) dik moeten zijn om de helft van de neutrino’s die erdoorheen gaan tegen te houden.

De meeste neutrino’s die de aarde bereiken, zijn afkomstig van de Zon. Per seconde wordt elke vierkante centimeter van de ruimte in de nabijheid van de Aarde, die loodrecht op de richting van de zonnestralen staat, gepasseerd door 65 miljard zonneneutrino’s.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie. Het elektron-neutrino ontstaat bij bètaverval.

Bij het β+ verval (ook positron-emissie of positron-verval genoemd), wordt via de zwakke kernkracht een proton omgezet in een neutron, waarbij een positron (het antideeltje van een elektron) en een neutrino vrijkomen.

Bij het β− verval wordt door de zwakke kernkracht een neutron omgezet in een proton, waarbij een elektron en een antineutrino vrijkomen.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie.

In lichte sterren als de Zon verloopt de kernfusie van waterstof, volgens de proton-protoncyclus tot helium.

Waterstof heeft 3 isotopen: protium (1H), deuterium (2H) en tritium (3H).

  • Protium is een stabiel isotoop
  • Deuterium is een stabiele isotoop
  • Tritium is radioactief en vervalt door bètaverval naar Helium-3

Helium-3 of 3He is een stabiele isotoop van helium

Helium-4 of 4He is een stabiele isotoop van helium

Bètaverval is een radioactief verval, waarbij een bètadeeltje, namelijk een elektron (of een positron), wordt uitgestraald (bètastraling).

Bètastraling. β− verval: een neutron wordt omgezet in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino vrijkomen.

Bij radioactief verval wordt een isotoop spontaan omgezet in een ander isotoop, waarbij een elektron, een proton of een alfadeeltje wordt uitgezonden,

Een alfadeeltje is identiek aan het helium atoom 4He (2 protonen en 2 neuronen).

Hiermee is aangetoond dat bètaverval het eerste natuurkundige bewijs gaf voor het bestaan van neutrino’s!

Neutrino’s breng ik nu nóg dichterbij!

Ze vliegen voortdurend om én zelfs door ons heen! Neutrino’s zijn, op fotonen (lichtdeeltjes/lichtgolfjes) na, de meest voorkomende deeltjes in het universum. Op dit moment gaan er elke seconde meer dan tien miljard door jouw lichaam….. Neutrino’s gaan bijna overal doorheen, en toch merken we daar niks van. Dit komt doordat zwaartekracht geen enkel effect op ze heeft. Ook zijn ze niet elektrisch geladen en worden dus niet beïnvloed door elektromagnetische krachten.

Een neutrino-detector ziet er uit als een futuristische kunstinstallatie of een vijfsterrenhotel uit een toekomstige menselijke beschaving op Mars. De duizenden glazen bollen zorgen ervoor dat de detector er zo cool uit ziet, maar ze zijn er niet voor de sier: het doel van deze bollen is om de lichtgevende golven van deeltjes die door de botsing tussen de neutrino en een ander deeltje ontstaan op te vangen en te verstreken. Hierdoor kan informatie worden verkregen over onder andere de energie en stuwkracht van de neutrino.

Neutrino’s veranderen van gedaante

Neutrino-oscillatie (fluctuatie) is een kwantummechanisch fenomeen. Het blijkt, dat wanneer een neutrino van een specifiek lepton-variant gemeten wordt  (elektron-, muon- of tau-neutrino) en later nog ‘ns, het een ​​ander neutrino-variant geworden is. De waarschijnlijkheid van het meten van een bepaalde variant van een neutrino varieert tussen de 3 bekende toestanden..
Neutrino-oscillatie is van groot theoretisch en experimenteel belang, omdat de precieze eigenschappen van het proces licht kunnen werpen op verschillende eigenschappen van de neutrino. In het bijzonder impliceert dit dat de neutrino een massa heeft.

Theorie
Neutrino-oscillatie ontstaat door het mengen tussen de varianten en massa-eigenschappen van neutrino’s. Dat wil zeggen dat de drie neutrinotoestanden (elektron-, muon- of tau-neutrino) die in wisselwerking staan ​​met de geladen elektronen, elk een andere superpositie zijn van de drie (zich voortspoedende) neutrinotoestanden met een bepaalde massa.

Superpositie: Quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Door het doen van de meting “dwingen we (in dit geval) de toestand van de neutrino te kiezen”, en pas op dát moment is de neutrinotoestand niet meer in een superpositie, maar ofwel een elektro- muon- of tau-neutrino.

Terwijl een neutrino-superpositie zich door de ruimte voortplant, gaan de kwantummechanische fasen van de drie massastadia met iets verschillende snelheden vooruit, vanwege de kleine verschillen in hun respectievelijke neutrinomassa’s. Dit resulteert in een veranderend superpositie-mengsel van massa-eigenschappen terwijl de neutrino reist. Maar een ander mengsel van massa-eigenschappen komt overeen met een ander mengsel van soorttoestanden. Dus als een neutrino bijvoorbeeld ‘begon’ als een elektronenneutrino, zal een mengsel van elektron-, mu- en tau-neutrino enige tijd een afstand afleggen. Omdat de kwantummechanische fase op een periodieke manier voortschrijdt, zal de toestand na die afstand terugkeren naar de oorspronkelijke variant en zal de neutrino weer voornamelijk een elektronenneutrino zijn. Het elektronensoortgehalte van de neutrino zal dan blijven oscilleren – zolang het de kwantummechanische samenhang behoudt. Omdat massaverschillen tussen neutrino-soorten klein zijn in vergelijking met de grotere lengten voor neutrino-oscillaties, wordt dit microscopische kwantumeffect waarneembaar over macroscopische afstanden. Lees verder Natuurkundigen zien neutrino’s van gedaante veranderen.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.