co to jest?

promieniowanie kosmiczne to strumień cząstek dochodzący do Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Zależnie od ich energii mogą one pochodzić ze Słońca, z rozmaitych obiektów z naszej Galaktyki, a nawet spoza niej. Tak czy inaczej, muszą przebyć długą drogę, a więc muszą być z natury swojej stabilne. Wśród cząstek elementarnych bezwzględnie trwałymi (tak sie przynajmniej wydaje) mogą być tylko najlżejsi członkowie pewnych grup wyróżniających się szczególnymi własnościami, które zachowane być muszą przy rozpadach. Przykładem takiej własności jest ładunek elektryczny, który nie może znikać, ot tak sobie. Cząstka naładowana musi się rozpaść, jeśli już koniecznie musi na inną, oczywiście lżejszą cząstkę, ale też obdarzoną ładunkiem i to dokładnie takim samym. Istnieje kilka innych cech, własności cząstek, które zachowywać się muszą. Nie mają one odpowiednika w naszej makroskopowej rzeczywistości i objawiają sie dopiero na poziomie cząstek elementarnych. Wśród nich jest tak zwana liczba leptonowa. Mają ją cząstki zwane (oczywiście) leptonami. Anty-leptony mają tę liczbę ujemną. Najlżejszymi leptonami naładowanymi są elektron (ujemny) i pozyton (dodatni). Cięższe od nich są miony i, ponieważ są cięższe, rozpadają się na lżejsze elektrony właśnie. Najlżejszą cząstką oddziałującą elektromagnetycznie i nienaładowaną elektrycznie jest oczywiście foton. Nie ma on w ogóle masy (spoczynkowej) i na nic rozpaść się nie może. Jest trwały. Obok ładunku leptonowego mamy też coś, co nazywa się ładunkiem barionowym. Mają go bariony (anty-bariony mają go ujemnym). Najlżejszą cząstką obdarzoną ładunkiem barionowym jest proton, no i jest trwały. Złożone z protonów i neutronów jądra atomowe też mają ładunek barionowy i też (niekiedy) są trwałe. Trwałość ich obserwujemy na co dzień choćby siedząc na krześle, które nie wydaje się rozpadać (samo z siebie).

Tak więc z kosmosu mogą docierać do nas fotony. No i na pewno docierają. To dzięki nim widzimy przecież gwiazdy na niebie, ale poza fotonami z zakresu widzialnego dociera do nas prawie całe widmo promieniowania elektromagnetyczne od fal radiowych do promieniowania X i promieniowania gamma. Historycznie rzecz biorąc właściwą dla ich badania jest astronomia.

Innymi cząstkami, których możemy się spodziewać w strumieniu kosmicznym są elektrony. Są one, jak już powiedzieliśmy, trwałe i niewątpliwie podróżują przez Wszechświat trafiając czasem na Ziemię. Po drodze dość szybko tracą jednak energię w polach magnetycznych obecnych wszędzie w Galaktyce i nawet poza nią, w zderzeniach z materią, która także istnieje, choć w znikomej ilości w pustce kosmicznej i elektronów kosmicznych jest ich w sumie niewiele. Niewiele w porównaniu z protonami.

Protonów, jąder atomów wodoru, jest najwięcej. Wszyscy wiemy, że na początku był tylko wodór i ciągle jest go we Wszechświecie mnóstwo. Poza wodorem w promieniowaniu kosmicznym znaleźć można praktycznie całą tablicę Mendelejewa. Mamy w ten sposób niejako bezpośredni dowód, że inne gwiazdy, inne systemy słoneczne, Galaktyka zbudowane są z takiej samej materii co my sami.

Dla porządku można jeszcze wspomnieć o neutrinach, które też są także stabilne, jako najlżejsze nienaładowane leptony, i które oczywiście także do Ziemi z kosmosu docierają. Jest ich wokół nas bardzo dużo, a przynajmniej ta nam się wydaje, bo zauważenie neutrina jest niezwykle trudne. Przechodzi ono przez nasze detektory, przez Ziemię całą, przez Słońce jak przez masło.

Promieniowanie kosmiczne niskich, ale już trochę wyższych energii docierając do granic ziemskiej atmosfery zderza się z jądrami atomowymi cząsteczek powietrza i jeśli energia jest dostatecznie duża może wyprodukować „z niczego” zupełnie nowe cząstki elementarne. Jest to praktyczna realizacja równania Einsteina E=mc². Cząstki te znane są ludzkości od niedawna. Wokół nas ich nie ma, bo żyją bardzo krótko. Rozpadają się na coraz to mniejsze, aż najczęściej kończą jako niemal niezauważalne neutrina i fotony i elektrony, albo miony, zwane też ciężkimi elektronami.

Wyobraźmy sobie, że na szczycie atmosfery (t=0) pojawia się jeden elektron (albo foton, to prawie wszystko jedno, mówmy „cząstka”) o energii E. Spodziewamy się, że po jakiejś drodze, powiedzmy t₀, na skutek oddziaływań elektromagnetycznych z jądrami atmosfery wytworzy on „z niczego” kolejną cząstkę. Ponieważ energia musi się zachowywać, przyjmijmy dla uproszczenia, że obie będą miały energię E/2. Każda z nich po następnej drodze t₀ wytworzy po jeszcze jednej cząstce. I tak dalej i dalej. Sytuację tę ilustruje rysunek.

Teorię takich kaskad stworzyli dawno temu Bethe i Heitler i tak to właśnie z grubsza działa. Procesy tworzenia par elektron-pozyton przez wysokoenergetyczne fotony i kreacji wysokoenergetycznych fotonów w procesie emisji tak zwanego promieniowania hamowania przez elektrony (pozytony) w polach elektrycznych jąder atomowych materii, przez która przechodzą, opisuje teoria oddziaływań elektromagnetycznych, czyli z grubsza elektrodynamika z równaniami Maxwella z dodatkiem obowiązującej w mikroświecie teorii kwantowej.

Z punktu widzenia rozwoju kaskady elektromagnetycznej tym, co nas interesuje najbardziej jest średnia droga t₀, po jakiej z jednej cząstki robią się dwie, czy to elektron emituje dodatkowy foton, czy foton znika, a zamiast niego pojawia się para elektron-pozyton. Od długości tej drogi zależy jak głęboko w materię mogłyby wnikać kaskady. Wielkość ta nazywa się z dość oczywistych powodów jednostką kaskadową.

Po przejściu jednej jednostki kaskadowej z jednej cząstki robią się dwie, po dwóch cztery, po trzech osiem. Energia każdej z tych ośmiu jest osiem razy mniejsza niż energia cząstki początkowej. Po 10 jednostkach kaskadowych cząstek jest ~1000 (2¹⁰ = 1024) i każda ma energię tysiąc razy mniejszą.

Wartość jednostki kaskadowej zależy od wielkości atomów ośrodka, w którym porusza się elektron (foton). Dla ołowiu jest ona równa ~0.56 cm dla krzemu (czyli piasku, ziemi betonu, cegły itp.) ~ 9.4 cm, dla wody 36 cm i powietrza ~300 m. Na przykład po przejściu warstwy 10 cm ołowiu cząstek byłby milion i każda miałaby energię milion razy mniejszą - wniosek: elektrony w zasadzie nie są w stanie przebić się przez tak grubą warstwę.

Gdy energie cząstek w kaskadzie już bardzo zmaleją, istotną rolę odgrywać zaczynają jeszcze inne procesy strat energii takie jak rozmaite rozproszenia, jonizowanie atomów ośrodka, efekt fotoelektryczny i pare jeszcze innych. Kaskada elektromagnetyczna zaczyna zanikać. Czy zaniknie zupełnie zanim dotrze do poziomu ziemi, zależy oczywiście od tego, jaką energię miała cząstka na początku. Tak się szczęśliwie dla nas składa, że od energii około 10^14-15 eV możemy już zobaczyć na poziomie morza kaskady elektromagnetyczne przechodzące całą grubość ziemskiej atmosfery.