Kosmische superdeeltjes
www.kennislink.nl
Uit het verre heelal hamert energierijke straling in op onze atmosfeer. Uit de deeltjeslawines die de straling in de lucht opwekt kunnen natuurkundigen de energie van de straling meten: in sommige gevallen meer dan de theorie voor mogelijk houdt. Tijd voor nieuwe ideeën.
Drieduizend vierkante kilometer Argentijnse pampa is door sterrenkundigen omgetoverd tot een gigantische deeltjesdetector. Met zijn 1400 detectoren wordt het Pierre Auger-observatorium een van de nauwkeurigste telescopen voor kosmische straling. Die bestaat uit deeltjes als fotonen, protonen en atoomkernen, allemaal met een flinke bewegingsenergie.
Voorlopige tests met het observatorium laten laten alleen straling onder de zogenaamde Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) limiet zien, een theoretische bovengrens aan de energie van de straling. Dat meldde New Scientist op 18 juli. Vreemd, want oudere detectoren als de Japanse Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) en Fly's Eye in Utah hebben al deeltjes gemeten die de GZK-limiet doorbreken. Zagen zij nieuwe en nog onbekende deeltjes, komt de straling niet van ver maar toch uit de omgeving van onze melkweg, of zien de oude detectoren spoken? Nederlandse schooldaken helpen misschien daar een antwoord op geven.
Weergave van een particle shower in de atmosfeer. Een deeltje ploegt zich met hoge energie in de dampkring. Door botsingen met luchtmoleculen raakt het deeltje – bijvoorbeeld een foton, proton of ijzerkern – steeds energie kwijt. Die wordt omgezet in hordes nieuwe deeltjes, zoals muonen en elektronen, maar ook fotonen gammastraling, die allemaal blijven afremmen en extra deeltjes aanmaken. Pas als de bewegingsenergie van de deeltjes onder de energie daalt om een nieuw deeltje te maken, houdt de lawine op. Met een netwerk van detectoren op de grond kunnen natuurkundigen de oorsprong en aard van het originele deeltje opsporen.
Elektronvolt
In de theorie van subatomaire deeltjes werken natuurkundigen met de elektronvolt (eV). Eén eV komt overeen met 1,6x10-19 Joule. Om een elektron te maken is een half miljoen eV nodig; voor een proton 0,9 miljard eV. Moderne deeltjesversnellers kunnen een deeltje opjagen tot een biljoen (duizend miljard) elektronvolt. Kosmische straling kan allerlei energieën hebben; van een miljard elektronvolt tot ver boven het bereik van moderne deeltjesversnellers.
De maximumenergie van kosmische straling, de GZK-limiet, werd voor het eerst berekend in 1966: volgens de kwantumveldentheorie houdt een deeltje met meer dan 5x1019 eV aan bewegingsenergie het niet lang uit in ons heelal. Normale gammastraling, zeker geen zwakkeling als het gaat om energie-per-deeltje, begint al bij 106 eV. De GZK-limiet ligt nog eens vijftig miljoen miljoen keer zo hoog. Hoe komt dat energieplafond tot stand?
| 