Het Scholierenproject “Kosmische Straling”: Een speurtocht naar bijzondere signalen uit het heelal Johan Messchendorp, KVI 2003

Waar komt materie vandaan? Wat zijn de bouwstenen van materie?

De eerste ideeën Bouwstenen Eigenschappen vuur lucht warm droog water aarde Bouwstenen warm koud droog vochtig Eigenschappen

Klein,kleiner,kleinste… Ons huidig beeld sinds 1897 ondeelbaar sinds 1974 ondeelbaar Klein,kleiner,kleinste…

Onderzoek naar de bouwstenen van materie Kernen onder de microscoop: Deeltjesversnellers! Waarom versnellen we eigenlijk deeltjes?

Oplossend vermogen Regel 1 Regel 2 Alle deeltjes bezitten een golflengte (quantumfysica) Regel 2 De golflengte van de straling waarmee een object onderzocht wordt, moet kleiner zijn dan de afmetingen van het object zelf!! Object Afmeting (L) Stralingsenergie atoom 10-10 m 0.00001 GeV (e-) kern 10-14 m 0.01 GeV (a) nucleon 10-15 m 0.1 GeV (e-) quark ? > 1 GeV (*) (*) 1 GeV = 109 eV

Atomen “zichtbaar” maken Scanning Elektronen Miscroscoop Elektronen met 20 keV energie Resolutie ~10-11 m Cesium/Gallium-Arseen 7x7 nm Atomen worden zichtbaar!

Kernfysisch Versneller Instituut 0.2 GeV protonen en zwaardere kernen Oplossend vermogen ~ 10-15 m

2007-2015(?) Large Hadron Collider (CERN) CERN @ Genève s’Werelds krachtigste microscoop: 7,000,000 GeV oplossend vermogen ~10-22 m

Maximale Stralingsenergie Deeltjesversnellers Maximale Stralingsenergie Versneller SEM 0,00002 GeV 0,2 GeV KVI 7,000,000 GeV LHC@CERN 320,000,000,000,000 GeV Kosmische bronnen Kosmische straling: Natuurlijke deeltjesversnellers uit het heelal!!

Kosmische Straling? Invallende deeltjes uit het heelal Kort door de bocht: Invallende deeltjes uit het heelal 90% protons (=waterstofkern) 9% heliumkern

“Ontdekking” van kosmische straling Experiment met elektroscoop Geladen staaf + Metalen staaf Reepjes metaalfolie Glazen fles Isolatiemateriaal Een opgeladen elektroscoop ontlaadt spontaan Ontdekking van Theodor Wulf: 1909 (Nederlandse priester!)

Verklaring….. Ionisatie door invallende straling + - Ontlading van elektroscoop Waar komen deze deeltjes vandaan? Priester: uit de hemel?

Oorsprong van straling? Priester: meting op de Eiffeltoren Ontlading van elektroscoop nog sneller! Straling dus neemt toe des te hoger in de atmosfeer!

“Ontdekking” van kosmische straling Viktor Hess : Oostenrijkse wetenschapper 1911-1913, ballonvluchten tot 5km hoog Straling neemt inderdaad toe des te hoger in de atmosfeer! Ontdekking van kosmische straling 1936 Nobelprijs winnaar

Dus kosmische straling bestaat, maar… Waar komt het vandaan? En hoe kunnen we het meten?

De zon, een bron van straling Noorderlicht=Poollicht

De zon, een bron van energie De zon produceert energie door kernfusie Massa wordt omgezet in andere vormen van energie: licht, warmte,… Per seconde wordt 700,000,000 ton waterstof omgezet in 695,000,000 ton helium

De zon, een bron van straling De zon gezien door een filter Uit de corona ontstaat de zonnewind

De zon, een bron van straling De zonnewind wordt afgebogen door het magneetveld van de aarde Botsing van geladen deeltjes met atomen in de atmosfeer....

Zeer hoog-energetische straling Aantal deeltjes per seconde per vierkante meter als functie van de energie Energie kan oplopen tot 300.000.000.000.000.000.000 eV (vergelijk KVI: 200.000.000 eV) =energie van een tennisbal met snelheid van 300 km/h En dat voor 1 kerndeeltje!!!!

Afstanden in universum Straal aarde: 6.400 km Afstand aarde-maan: 380.000 km Afstand aarde-zon: 150.000.000 km Grootte zonnestelsel: 600.000.000.000 km Grootte melkweg: 1.500.000.000.000.000.000 km = 160.000 Lichtjaren Grootte universum: 10.000.000.000 Lichtjaren De melkweg is een eiland van honderden miljarden sterren .

Mogelijke bron van hoog-energetische straling Een supernova is een zware ster die onder zijn eigen gewicht instort. De buitenste lagen worden weggeblazen. Daarbij worden deeltjes versneld tot zeer hoge energie.

Supernova 1987A De meest recente met het oog zichtbare supernova vond plaats in 1987. Energie van 1065 eV = 1032 * atoombom 10 miljoen oude ster met een massa van 20xZon en 170.000 Lichtjaren van de aarde.

Actieve sterrenstelsel Actieve kernen van sterrenstelsels zijn superstralers; wat is de bron? Een jet uit de kern van het melkwegstelsel M87 (Virgo A), 60.000.000 Lichtjaren ver. De kleine heldere bron heeft een massa van ruim 3 miljard zonnen.

Hoe meten we nu hoog-energetische kosmische straling op aarde? Aantal deeltjes in atmosfeer per km2: Energie > 1016 eV 12 events/jaar Energie > 1017 eV 9 events/jaar Energie > 1018 eV 1 event /jaar Energie > 1019 eV 6 events/eeuw Oeps, hoe kunnen we dan toch nog meten? Antwoord: Atmosfeer als vergrootglas!!!

Een regen van deeltjes Kosmische deeltjes botsen in top van atmosfeer met zuurstof- en stikstofkernen. Een lawine van nieuwe deeltjes wordt geproduceerd. Meetstations op aarde kunnen lawine meten en zodoende de energie en positie van invallend deeltje reconstrueren.

Hoe ziet zo’n meetstation eruit? In scintillatormateriaal maken de deeltjes een lichtflits De flits wordt door een lichtversterker omgezet in een elektrisch signaal Via GPS wordt voor elke gebeurtenis een tijdstempel opgevraagd De verkregen data wordt via internet verzameld door centrale server

Hoe ziet zo’n detector eruit?

Meetstation op school Detector in skiboxen op het dak van school in Nijmegen

Data van twee scholen combineren Data van 2 stations combineren. Duidelijke coincidentie! Het bewijs van kosmische straling!

Thema’s voor projecten Natuurkunde: Bouw der materie: deeltjes, kernen, straling Elektromagnetisme: beweging van geladen deeltjes in e.m. velden Optica: lichtgeleiding, lichtversterking relativiteit Sterrenkunde: Sterevolutie Kosmische achtergrondstraling Techniek: Stralingsdetectie GPS Electronica Informatica: Internet Data uitlezing Wiskunde/statistiek: Coincidenties, toeval vs. signaal Significantie van correlaties Voor ieder wat wils!!

Hoe werkt een meetstation? Wat zijn de onderdelen in een meetstation? Hoe wordt de afgegeven energie van geladen deeltjes omgezet in een elektronisch signaal? Hoe wordt een detector gebouwd? Bouw je eigen detector op het KVI!

Het Global Positioning System 1980 ontwikkeld door Amerikaanse leger positie en tijdsbepaling mbv signalen van satellieten Hoe worden positie en tijd bepaald?? Wiskundig probleem!!

Relativiteit… Relativiteit?… Einstein!! “Alles is relatief” ???? Lichtsnelheid is eindig en constant!!!

Relativiteit… ???? Relativiteit?… Einstein!! “Alles is relatief” ???? Tijd en ruimte voor deeltjes met een snelheid dicht bij de lichtsnelheid worden relatieve begrippen…voorbeeld: Proton met E=1020 eV v=lichtsnelheid Afkomstig van Virgo = 60.000.000 lichtjaren Dus heeft het volgens aardse meting 60.000.000 jaren gereisd Relativiteit: deeltje heeft zelf slechts 5 dagen gereisd!! ????

Het Scholierenproject “Kosmische Straling” Interesse om mee te doen? Vraag je leraar…of… Neem met mij contact op…of… http://www.kvi.nl/~scholieren