Kosmische deeltjes en straling waarnemen Door: Bente van den Heuvel, Raphaëlle van de Walle en Wiecke van de Put V2B

inhoud Wat zijn kosmische deeltjes? -Shower -Electroscoop Wat is straling? -Scintillatiematriaal & fotomultiplier Hoe neem je kosmische deeltjes en straling waar? HiSparcproject

Wat zijn kosmische deeltjes? De deeltjes met een hoge energie waarde uit de ruimte kunnen we niet rechtstreeks zien op aarde. Als een deeltje de dampkring binnen komt botst het namelijk met een atoom daarin en veroorzaakt een lawine van secundaire deeltjes: fotonen, elektronen en hun zwaardere verwanten, de muonen. Deze air-shower bevat miljoenen deeltjes. Doordat kosmische deeltjes met een hele hoge snelheid door het heelal heen gaan, zijn de deeltjes met een hoge energie waarde geladen. De deeltjes gaan (met bijna de snelheid van het licht) naar de atmosfeer toe en daar botsen de protonen uit de kosmische deeltjes met de muonen van de atmosfeer en zo kunnen wij de deeltjes waarnemen. Ze kunnen worden waargenomen door een netwerk van detectoren. Zo'n waarneming is natuurlijk indirect, maar uit het dichtheidsprofiel en de aankomsttijden van de lawine van secundaire deeltjes kan je de energie en richting van het oorspronkelijke (primaire) deeltje naspelen. In 1785 nam Charles-Augustin de Coulomb voor het eerst kosmische straling waar. Doordat hij experimenten met elektrische kracht er elektrische lading uit zijn apparatuur lekte. Dit fenomeen bleef lang onverklaarbaar.

(air)Shower De regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer noemen we een airshower. Een shower ontstaat door het tegen elkaar aanbotsen van protonen en neutronen waardoor er een reactie plaats vindt en een shower ontstaat. Door botsingen van kleine deeltjes ontstaat er dus een samengesmolten deeltje. Als deze deeltjes weer tegen elkaar botsen krijgen je weer een samensmelting van de deeltjes. Zo ontstaat een airshower. Tijdens hun vlucht door de aardatmosfeer is de kans groot dat een deeltje met een hoge energie waarde botst met een stikstof- of zuurstofkern, de belangrijkste onderdelen van de atmosfeer. De bron van een airshower kan een gammafoton of een geladen deeltje zijn. De radiostraling die door de stroom geladen deeltjes in de shower wordt opgewekt. Deze kan in principe worden gemeten met een instrument de LOFAR radiotelescoop

Elektroscoop Een elektroscoop is een apparaat om elektrische lading te meten of te tonen. Het bestaat meestal uit: 2 bladen uit lichte metalen folie. De folie is verbonden met geleiders. Hoe groter de lading, hoe verder de bladen van elkaar verwijderen. Functie bij het ontdekken van kosmische straling: De elektroscoop speelde een belangrijke rol bij het ontdekken van radioactiviteit Met behulp van een eenvoudige elektronenscoop ontdekten Pierre en Marie curie de elementen radium en polonium Radioactieve straling uit deze 2 elementen is in staat een zeer goede geïsoleerde elektronenscoop te ontladen, omdat straling de lucht erom heen ioniseert (ioniseren= proces waarbij een atoom of molecuul uit ongeladen toestand een elektron kwijt raakt of erbij krijgt. De elektroscoop heeft een belangrijke rol gehad bij het ontdekken van radioactiviteit. Door de elektroscoop ontdekte Pierre en Marie currie de elementen polonium en radium.

Experiment elektroscoop Benodigdheden: pot met deksel, paperclip, aluminiumfolie en een pvc-buis Voorbereiding: je vouwt een paperclip uit en houdt de grote hoek gesloten  je maakt een deksel van een rondje dat je uit papier knipt  je prikt een gaatje in de deksel  je knipt een v-tje van de aluminium folie en hangt die omgekeerd aan de paperclip de paperclip hang je door het gaatje in de deksel je maakt een magnetisch veld met een pvc-buis  die houd je vlak bij het aan de bovenkant uitstekende deel van de paperclip Conclusie: Doordat je elektrisch geladen voorwerpen bij de paperclip houdt ontstaat er een elektrischmagnetischveld. De elektroscoop laat het elektrisch magnetisch veld zien door de folie uit elkaar laten gaan.

Wat is straling? Straling is het uitzenden van energie als golven (elektromagnetische straling) of als deeltjes (deeltjesstraling, zoals alfastraling en bètastraling). Bij deeltjesstraling gaat het om deeltjes met een hoge snelheid die maximaal de grootte van een atoomkern hebben. Bij golfstraling gaat het om pakketjes die in kleine hoeveelheden door het heelal gaan. Straling wordt vaak verdeeld naar de energie per foton (verschijningsvorm van elektromagnetisch straling) of in deeltjes: Ioniserende straling: elektromagnetische straling met een hoge frequentie, dus veel energie per foton (röntgenstraling en gammastraling), deeltjesstraling; de energie per foton of deeltje is voldoende om elektronen uit atomen te verwijderen. Bij nog grotere energie per foton of deeltje kunnen ook atoomkernen worden aangetast.

Scintillatiematriaal & fotomultiplier Een fotomultiplier is een elektronenbuis waarmee hele zwakke lichtsignalen of individuelen fotonen kunnen worden gemeten. Je kunt ioniserende straling meten doordat de fotomulitplier een invallend foton maakt door het foto-elektrisch effect een elektron vrij in de fotokathode. Die botsen met een hoge snelheid tegen de dynode(een reeks van elektronen) waardoor elektronen vrijkomen en zich opstapelen. Uiteindelijk zijn er genoeg elektronen verzameld om een meetbaar signaal op te leveren. Een fotomultiplier bestaat uit een buis met een fotokathode (apparaat om licht te detecteren) en een anode(geleidende vloeistof) Scintillatie is een begrip in verschillende wetenschappen, dat refereert aan bijzonder effecten die ontstaan rond de afbuiging, reflectie van licht. Scintillatiematriaal zijn voor werpen die een lichtflits produceren als er een geladen deeltje doorheen vliegt.

Hoe neem je kosmische deeltjes en straling waar? Als deeltjes met een hoge energiewaarde of fotonen met een hele hoge snelheid botsen met stikstof- of zuurstofkernen ontstaat er een regen van secundaire deeltjes, een air shower. Een shower kun je waarnemen. Je kunt kosmische deeltjes op verschillende manieren waarnemen: Met scintilatiedetectoren of met zeer lichtsterke telescopen die fluorescentielicht (het licht dat een air shower uitstoot) van de air shower in de nachtelijke atmosfeer kunnen waarnemen. Ook is een vonkenkamer een instrument waarmee elektrisch geladen deeltjes zichtbaar gemaakt kunnen worden. Dit gebeurt door vonkoverslag tussen twee elektrische geleiders met een groot elektrisch spanningsverschil. Nu wordt deze techniek vooral gebruikt om kosmische straling aanschouwelijk te maken.

hiSPARCproject Het HiSparcproject wordt op meerdere middelbare scholen gehouden samen met wetenschappelijke instellingen. HiSPARC is een project waarbij middelbare scholen samen met wetenschappelijke instellingen een groot netwerk vormen om kosmische straling met extreem hoge energie te kunnen meten. HiSPARC biedt scholieren de gelegenheid om aan echt onderzoek deel te nemen, waarvan de resultaten daadwerkelijk worden gebruikt om meer over deze mysterieuze en zeldzame kosmische deeltjes te weten te komen. Bovendien kunnen scholieren hun deelname aan het experiment gebruiken ter invulling van het profielwerkstuk voor het eindexamen. Op de daken van de scholen die meedoen aan het HiSPARC project staan de door scholieren zelf gebouwde meet-opstellingen welke via het internet verbonden zijn met een centrale computer bij het wetenschappelijke instituut Nikhef. In Nijmegen worden al sinds 2002 gegevens verzameld en in Amsterdam al sinds 2004. Ook in de regio's Eindhoven, Enschede, Leiden, Utrecht en Groningen staan HiSPARC detectoren. Het project wordt op dit moment ook uitgebreid naar andere landen zoals Denemarken en Engeland. Het project wordt gecoördineerd vanuit het Nikhef in Amsterdam.