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.
Video: 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.

Voor het eerst hebben wetenschappers hierdoor sporen van hoogenergetisch neutrino’s uit de ruimte kunnen herleiden tot hun bron.

Eerste ontdekking bron van hoogenergetische neutrino’s, die de richting aangeven waar kosmische straling vandaan komt.
Neutrino’s zouden tegelijk met kosmische straling geproduceerd worden.
Brusselaars sporen bron van kosmische neutrino’s op. Van een kubieke kilometer Antarctisch ijs wordt gebruik gemaakt om neutrino’s op te sporen.
Het Laatste Continent – IceCube
 

Uit het verre heelal hamert energierijke straling in op onze atmosfeer. Uit de deeltjeslawines die de straling vervolgens opwekt, kunnen natuurkundigen de energie van de straling meten. Terwijl materie op miljarden lichtjaren afstand, een superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel binnenvalt, wordt een deel ervan naar buiten versneld met bijna de lichtsnelheid langs twee jets. Wanneer één van de jets toevallig in de richting van de Aarde is gericht, kan deze binnen onze atmosfeer gedetecteerd worden in een complexe cascade.

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.

Kosmische straling is eigenlijk geen straling, maar niets anders dan losse atoomkernen die met een gigantische snelheid door de ruimte vliegen en terecht kunnen komen op Aarde. Wanneer hoogenergetische deeltjes (kosmische “stralen”) de atmosfeer binnenkomen, verliezen zij hun energie via interacties met luchtmoleculen (zuurstof en stikstof). Daarna treedt een kernreactie op, die secundaire deeltjes produceert (vooral pionen en muonen), die vervallen of gaan opnieuw kernreacties aan met andere atoomkernen in de lucht. Deze nieuwe deeltjes maken vervolgens weer andere deeltjes, enz. Dit vermenigvuldigingsproces staat bekend als een deeltjescascade.

Er zijn 2 soorten kosmische straling: secundaire en primaire stralen. De primaire stralen zijn de oorspronkelijke stralen die uit de ruimte komen en de bovenkant van onze atmosfeer raken. De secundaire stralen worden gevormd door de botsing van de primaire stralen met de atomen van onze atmosfeer. Het grootste deel van de kosmische stralen die de Aarde bereiken zijn secundaire stralen.

Primaire stralen

De primaire stralen dringen normaal gezien door tot een hoogte van 15 kilometer en daar worden ze omgezet in secundaire stralen. Primaire stralen bestaan voornamelijk uit waterstofkernen (86%) en heliumkernen (13%), de overblijvende procent bestaat uit koolstof, calcium en ijzer. De meesten ervan bewegen zich voort met de snelheid van het licht. De atoomkernen botsen met een gigantische snelheid tegen atoomkernen in onze atmosfeer. Deze kunnen tot diep in het atoom doordringen om die volledig uit elkaar doen spatten. Daarbij kunnen wederom zeer energierijke deeltjes worden uitgezonden. Een primaire kosmische straal kan een stroom van secundaire stralen produceren, waarvan de banen zigzaggend, als een soort bliksem, naar beneden lopen.

Secundaire stralen

Slechts weinig van de primaire stralen kunnen doordringen tot het aardoppervlak. De secundaire straling bestaat uit een verzameling bonte deeltjes, die het resultaat is van een eindeloze schakering van wisselwerkingen. Ze bestaan deels uit protonen en neutronen, maar ook positronen.


Wanneer de deeltjescascade de grond bereikt, is die ongeveer 100 meter breed en 1-2 meter dik. Als het primaire kosmische deeltje een foton was, bevat de cascade elektronen, positronen en gammastralen. Als het primaire kosmische deeltje een atoomkern was, bevat de deeltjesregen ook muonen, neutrino’s en hadronen (protonen, neutronen en pionen). Het aantal deeltjes in de cascade hangt af van de energie van de primaire kosmische deeltjes, de observatiehoogte en schommelingen in de ontwikkeling van de ‘shower’. Deze deeltjesregen 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

Hun oorsprong is te vinden ver van de Aarde zoals bij Supernovae en, zoals hierboven vermeld, bij Blazars, Quasars en Pulsars.

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 kan voor wolkenvorming zorgen!

Het grootste deel, de galactische straling, komt van bronnen buiten ons eigen Melkwegstelsel. De galactische straling bestaat voor 90% uit protonen en elektronen, voor de rest uit lichte heliumkernen en kernen van koolstof en stikstof. Zoals gezegd is ook de Zon een bron van deze deeltjesstraling weliswaar met zeer lage energie. Als deze deeltjes de aardatmosfeer binnendringen, kunnen ze met daarin aanwezige vluchtige stofjes botsen, zoals roet van het verkeer en andere aerosolen, waardoor deze tot minuscule druppeltjes condenseren. En rond deze druppeltjes kunnen vervolgens wolken ontstaan.

Als de Zon actief is, weert het zonne-magnetisch veld meer kosmische straling af dan tijdens rustige perioden en er is dan 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. De Deense fysicus Henrik Svensmark over kosmische-straling

Maar wat zijn nou die ‘geheimzinnige’ neutrinos?

Neutrino’s zijn elektrisch ongeladen subatomaire deeltjes. 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.

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:

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

Vervalprocessen.

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

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

Hiermee is aangetoond dat bètaverval het eerste natuurkundige bewijs gaf voor het bestaan van neutrino’s en dus ook van anti-neutrino’s.

Neutrino’s breng ik nu nóg dichterbij!

Ze vliegen voortdurend om én zelfs door ons heen! Neutrino’s zijn ongeladen en, naast fotonen (lichtdeeltjes/lichtgolfjes), de meest voorkomende deeltjes in het universum. Op dit moment….en dit is onvoorstelbaar….gaan er elke tel meer dan tien miljard dwars door je lichaam!!! Neutrino’s gaan overal dwars doorheen, en toch merken we er niks van. Dit komt doordat zwaartekracht geen enkele invloed op ze heeft: je voelt hun aanwezigheid niet. Ze zijn 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.

Natuurkundigen zien neutrino’s van gedaante veranderen

Neutrino-oscillatie (fluctuatie/schommeling) is een quantummechanisch 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 is de wisseling 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 elektronen (de geladen leptonen) elk een andere superpositie zijn van de drie neutrinotoestanden met een bepaalde massa.

Terwijl een neutrino-superpositie zich door de ruimte verplaatst, gaan de quantummechanische fasen van de drie massastadia met miniem verschillende snelheden voort, vanwege de minieme verschillen in hun respectievelijke neutrinomassa’s. Dus als een neutrino bijvoorbeeld ‘begon’ als een elektronenneutrino, zal een mengsel van elektron-, mu- en tau-neutrino enige afstand afleggen. Omdat de quantummechanische 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 soortgehalte van de neutrino zal echter blijven oscilleren – zolang het de quantummechanische samenhang behoudt.

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.

Waar-zouden-we-zijn-zonder-quantummechanica. In een volgende blog ga ik me verdiepen in de quantummechanica en quantumfysica.

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.