انواع ریزش های کیهانی

"بسم الله الرحمن الرحیم"

1) ریزش های هادرونیک (Hadronic Cascades):

این ریزش ها بیشتر از ذراتی مانند پروتون ها تشکیل شده اند و پرتوزایی خود آنها باعث تجزیه ی آنها بر فراز جو می شود.

می توانیم این عمل متقابل را به صورت زیر نیز بنویسیم:

Cosmic Ray (CR) + Atmospheric Nuclei (AN) CR' + AN' + n + m + other mesons

که در این معادله CR' باقیمانده ی اصلی پرتوهای کیهانی می باشد که می تواند باعث ایجاد واکنش های بیشتری با هسته های اتمسفری شود.

اگر اصل پرتوهای کیهانی انرژی کافی را داشته باشند حتی پرتوها می توانند به سطح زمین نیز برسند.

AN' باقیمانده ی هسته های اتمسفری می باشد که دارای انرژی بالایی هستند.

همچنین مقدار تولیدی ار تجزیه ی هسته ها نیز همان(مزون ها) می باشند که می توانند در دنباله ی مادون تولید مزونی پرتوزا کنند.

پرتوزاییدر دو مرحله از انرژی پرتوهای گاما می تواند سرچشمه ی جز اصلی الکترومغناطیس ریزش باشد زیرا از این به بعد الکترون ها و پرتوهای گامای تولید شده می توانند دارای جز اصلی ساخته شده از الکترون ها و یا گاماهایی باشند که در پدیده ی بزامشتراهلونگ (Bremsstrahlung) {تابش ترمزی} یا در ترکیب دوتایی تولید شده اند.

شکل: مدل هندسی پرتوزایی تشعشعات چرنکوف برای اشعه ی گاما و ریزش هادرونیک

همچنین فرآیندی که در آن این مادون ریزش ها توسعه می یابند (مانند فرآیند الکترومغناطیس) خالص است.

2) ریزش های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Cascades):

ریزش های الکترومغناطیس هنگامیکه انرژی ها در این فرآیند سهیم باشند (بر فراز اتمسفر) پرتوهای گاما را در جو غوطه ور می کنند.

در واقع این پدیده ها تولید ترکیبی همان اثرات غالب (Dominant Effect) هستند که البته این تنها در مورد ریزشهای پهناور جوی (Extensive Air Showers) صادق است. (این نوع از ریزش ها را در بخش بعدی بررسی می کنیم).

فرآیند تولید ترکیبی در زمینه ای از هسته های اتمسفری و یا الکترون ها به منظور حفظ نیروی حرکت صورت می گیرد.

طی این فرآیند یک فوتون با انرژی بالا (حداقل 1.022 مگا الکترون ولت) در ماده به یک جفت الکترون – پوزیترون تبدیل می شود.

اگر انرژی کافی باشد جفت الکترون نهایی انرژی خود را به سرعت بوسیله ی واکنش یونی از دست نخواهد داد. در مقابل یک الکترون در زمینه ای از ذرات بنیادین هسته می تواند اشعه ی گامای ثانویه را تولید کند. این تولید همان اثر بزامشتراهلونگ نامیده می شود.

این اشعه ی گاما (اگر انرژی هنوز از 1.022 مگا الکترون ولت بیشتر باشد) می تواند جفت الکترونی دیگری را تولید کند که آنها می توانند واکنش های بزامشتراهلونگ بیشتری را تحمل کنند.

که در نهایت نتیجه ی آن یک ریزش فوتونی – الکترونی و پوزیترونی خواهد بود که می توانند در مسیر قبلی حرکت اشعه های گاما حرکت کرده و در انرژی کل سهیم باشند.

3) ریزش های فراگیر جوی (Extensive Air Showers [EAS]):

ریزش های فراگیر جوی تا قبل از واضح شدن ابهامات در مورد پرتوهای کیهانی در سال 1927 وجود نداشت.

همچنین تمامی فرضیه ها در مقابل توضیح پرتوهای کیهانی به صورت فوتونیک (با قالب نوری) از خواص ذره ای دفاع می کردند.

اما امروزه با درک کامل پرتوهای کیهانی توانسته ایم منشا تمام ذرات و پرتوهای پر انرژی را که از فضای خارجی وارد زمین می شوند بفهمیم.

در حقیقیت پرتوهای کیهانی از هسته ی اتم (96 درصد هیدروژن – 3 درصد هلیم – 1 درصد کربن – نیتروژن – اکسیژن – فلئور) + پرتوهای گاما - الکترون ها - پوزیترون ها – نوترینو ها و انواع دیگر ذرات بنیادی تشکیل شده اند.

پرتوهای کیهانی تا قبل از اینکه به زمین برسند از منابع پرتوزا نشات می گیرند که البته بعضی از مواد متشکل آنها طی فرآیند گذر از کهشکان ها به دلیل انجام واکنش های میان ستاره ای (از قبیل: تجزیه و یونیزه شدن) بوجود می آیند.

در واقع مواد متشکل نام برده چیزی است که به زمین می رسد. به همین دلیل ترکیب اصلی دیگری را برای پرتوهای کیهانی پیش بینی می کنیم.

اصولا همین ترکیبات نیز هنگامیکه به اتمسفر زمین می رسند طی واکنش هایی با هسته های تشکیل دهنده ی اتمسفر به ذرات ثانویه ای تبدیل می شوند که ریزش های فراگیر جوی نام دارند.

ذرات اولیه ی EAS در لایه های فوقانی جو بیشتر تشکیل شده از هسته های اتمی – فوتون ها و پرتوهای آلفا هستند. (به صورت مقداری از هسته های سنگین کمتر هستند).

توزیع اینگونه از وقایع ترکیبی هستند و طیف ها خبر از انرژی بالای 10^20 الکترون ولت می دهند که این مقدار برای پرتوهای آلفا زیاد است.

بنابراین شاید به صورت تقریبی این دسته از فرایندها را بتوان دنباله روی قانون سلطه (Potency Law) دانست.

این طیف ها را می توان به پرتوهای گاما ربط داد:

که در آن γ تقریبا 2.6 است.

هیچ کدام از این ذرات پر انرژی به زمین نمی رسند و تنها از این فرآیند مقدار کمی پرتوی گاما (1 از 1000) به صورت EAS در جو تولید می شود.

4) پرتوهای چرنکوف در EAS:

برای انرژی های اولیه (کمتر از 20 ترا الکترون ولت) ریزش های هادرونیک در لایه های فوقانی اتمسفر نابود می شود اما پرتوهای چرنکوف توسط بارهایی که به ارتفاعات سطحی زمین نفوذ می کنند تولید می شوند.

اگرچه حرکت موجی این جریانات در نقطه ی نشات آنها و گسترش بعد از آن پرتوهای چرنکوف را دوباره به نقطه ی ابتدایی آنها (محل پرتوهای گامای ابتدایی در کره ی سماوی) بر می گرداند.

در ریزش های الکترومغناطیسی الکترون ها و پوزیترون ها اعضای تشکیل دهنده ی پرتوهای چرنکوف هستند.

این موضوع هنگامی درست است که انرژی ذرات از مقدار Min آستانه ی فراتر رود. (همانطور که معادله ی 1.9 نشان می دهد).

این نهایت (آستانه) برابر با 21 مگا الکترون ولت در هنگام رصد می باشد که در ارتفاع 7.5 کیلومتری از سطح دریا یه 35 مگا الکترون ولت افزایش می یابد. علت این تغییر در اختلاف بین سرعت آستانه ی پرتوهای چرنکوف است که طی واکنش های تجزیه ای در اتمسفر ایجاد می شود.

بر مبنای همین نوع از واکنش های تجزیه مقدار را تخمین بزنیم.

می دانیم که سرعت نور در میانه ی مشخص از رابطه ی زیر بدست می آید:

(1.7)

که در آن C سرعت نور در خلا و n شاخص تجزیه در ارتفاع اتمسفری داده شده (H) است.

آنگاه می توانیم را به شکل زیر بنویسیم. (انرژی ذره ای نسبیتی (Relativistic Particle)است که با سرعتی معین حرکت می کند:

(1.8)

بنابراین اگر بنویسیم n = 1 + δ و آنگاهبرابر با خواهد بود. که از آن خواهیم داشت:

(1.9)

حال می توانیم بهتر پرتوهای چرنکوف را در EAS بررسی و مطالعه کنیم. این کار می توان به دو صورت 1) بررسی گسترش طولی و یا 2) بررسی پراکندگی جانبی ریزش های ذره ای ادامه داد.

گسترش طولی این ریزش ها به معنای توزیع در نقطه ی گسیل فوتون های چرنکوف می باشد.

از شکل زیر می توان به آسانی دید که ریزش ها می توانند بعد از تیرگی (Blur) به Max خود برسند:

شکل (1.5): شبیه سازی مونته کارلو (Monte Carlo) در مورد توزیع طولی ریزش الکترومغناطیسی 1Tev

در سوی دیگر توزیع جانبی یک EAS (شکل1.6) در مورد پرتوهای چرنکوف در واقع همان بررسی نقطه ی ساتع کننده ی پرتوهای چرنکوف در سطح عمود به قطب ریزش است.

بنابراین می بینیم که توزیع جانبی اینگونه حساس به گسترش طولی ریزش رفتار می کند.

در اصول توزیع جانبی می توان گفت که شیب توزیع جانبی مرتبط به ریزش است که می تواند در دیدگان رصدگران چنین گسترش یابد.

هنگامیکه ریزش ها به شدت در اتمسفر گسترش می یابند پدیداری توزیع را بیشتر نمایان می سازند که به این مدل خاص حلقه ی چرنکوف (Cherenkov Ring) می گویند.

شکل (1.6): نمودار توزیع جانبی پرتوهای چرنکوف بر وری زمین مخصوص به انواع خاصی از پرتوهای گاما و ریزش های هادرونیک.

پرتوهای گامای القا شده به ریزش یک توزیع جانبی و سطحی نسبیتی نور را در خارج 125 متری فاصله ی شعاعی از مرکز نشان می دهد.

"با تشکر"

ترجمه (انگلیسی به فارسی): علیرضا یعقوبی

28-12-2006

منبع: http://www.gae.ucm.es

عکس از: rscc.cc.tn.us