In dit fragment uit de science fiction film “Fantastic 4” worden astronauten lam gestraald door zogenaamde kosmische straling.
Zij komen er goed van af want door die straling muteert hun DNA zodanig dat ze opeens supersterk, superlenig, onzichtbaar en zo worden. Heel mooi. In realiteit is die straling gewoon slecht voor ons.
Gelukkig heeft onze Aarde een dampkring. Die zorgt er niet alleen voor dat wij zuurstof kunnen inademen, maar die beschermt ons juist ook tegen die kosmische straling die met extreem hoge
energieën die rond stuitert in ons Universum!
Hoe hebben we ontdekt dat de Aarde gebombardeerd wordt door allerlei deeltjes uit de ruimte?
Met dit eenvoudige apparaat, een elektroscoop, lang gebruikt om elektriciteit te bestuderen. Door deze stok op te wrijven wordt hij elektrisch geladen. Die lading kan je overbrengen op dit apparaat en als je er maar genoeg lading opbrengt gaan deze twee metalen platen uit elkaar. Dit omdat gelijke elektrische ladingen elkaar
afstoten. Als je er teveel lading opbrengt slaat hij door, net als de bliksem. Niets magisch.
Nu was er zo’n 100 jaar geleden een Jezuïet in Zuid Limburg.
Kennelijk had die veel vrije tijd. Hij keek lang naar zo’n opgeladen elektroscoop. Tot zijn verbazing zag hij dat de elektroscoop zich langzaam ontlaadde! D.w.z. de lading verdween! Na enig
nadenken dacht hij de oplossing gevonden te hebben. Het moest komen door de natuurlijke radioactiviteit op Aarde zojuist ontdekt door madame Curie! Dat zou betekenen dat het ontladen
langzamer zou moeten gaan als hij zijn experiment ver boven de grond zou herhalen. Dus herhaalde hij zijn experiment bovenop de zojuist gebouwde Eiffeltoren. En hij ontlaadde … sneller! En dus … moest er iets van boven komen!
Die straling van boven noemen we nu Kosmische Straling. Die kosmische straling bestaat uit atoomkernen die met hoge snelheid op onze dampkring knallen en daar een enorme sproeier van
secondaire deeltjes genereren die neerregent op het
Aardoppervlak. Die sproeiers kunnen vele vierkante kilometers groot zijn. Vergelijk het maar met een satelliet die verbrandt in onze dampkring als hij aan het einde van zijn levensduur
neerstort.
Deze video is van het mooiste experiment om wat kosmische
straling te meten. Op 3000 vierkante kilometer Argentijnse Pampa wordt de inslag van de sproeiers gemeten. De volgorde van
geraakte detectoren bepaalt waar de sproeier vandaan kwam. De omvang van de inslag bepaalt de energie.
De energieën van die kosmische straling zijn echt gigantisch. De hoogst gemeten energie correspondeert met de energie van een door een toptennisser opgeslagen tennisbal! Maar dan zoals
gezegd samengebald in één enkele atoomkern (vergeleken met de ongeveer 1024 atomen in een tennisbal). Die hoge energieën zijn wel heel zeldzaam: slechts één per vierkante kilometer per jaar!
Dat is mede waarom dat experiment in Argentinie zo groot is.
Anders moet je zo lang wachten.
Desondanks, weten we helaas nog steeds niet echt waar die kosmische straling nu echt vandaan komt! Natuurlijk zullen het wel catastrofale astronomische objecten zijn zoals supernovae en de actieve kernen van melkwegstelsels. Maar echt weten doen we dat dus nog niet. Waarom is dat zo?
Omdat er tussen ons en de bronnen van kosmische stralen
allemaal magnetische velden zitten. En net zoals de elektronen in deze buis door een magneetveld afgebogen worden, worden de kosmische stralen ook onderweg afgebogen. Dus als wij denken dat hij daar vandaan komt; kan het best zo zijn dat de bron daar staat! Om het effect van magnetische afbuiging te verminderen is het belangrijk te zoeken naar kosmische stralen met enorm hoge energie. Die worden namelijk heel moeilijk afgebogen. En daarom willen we in de toekomst nog veel grotere detectoren bouwen. Of vanuit satellieten kijken naar kosmische sproeiers in de
dampkring!
Met dit apparaat kunnen we een speciaal deeltje in deze sproeiers zichtbaar maken. De flitsen die u hier ziet zijn het spoor van het zogenaamde muon deeltje! Dit wordt tientallen kilometers hoog in onze dampkring gemaakt en komt met vrijwel de lichtsnelheid naar beneden! Zonder dat u het weet en merkt gaat er ongeveer iedere seconde zo’n muon door uw hand heen!
Nu hoor ik u denken: Muon, wat is dat nou? Eigenlijk niets anders dan een elektron. Hij (of zij) is ook elektrisch geladen. Enige
verschil is dat hij een stuk zwaarder is dan het elektron (dus veel meer plakt aan de Higgs).
Dat zwaarder zijn van het muon heeft een onverwachte implicatie.
Terwijl het elektron eigenlijk het eeuwige leven heeft, gaat een muon in een fractie van een seconde kapot! Technisch noemen we dat: het muon vervalt in andere deeltjes, o.a. een elektron!
Acabadabra voor veel van jullie. Maar het mooie is dat ik hier een opstelling heb waarmee ik kan laten zien dat een muon slechts kort bestaat!
Namelijk deze zwarte balk. Voordat ik uitleg hoe het werkt. Even iets over deeltjesverval. Stel dat deze knikkers zouden kunnen vervallen met bijvoorbeeld een zogenaamde halfwaardetijd van 5 seconden. Wat betekent dat? Dat betekent dat als ik nu 16 knikkers in mijn hand heb;
* Ik er over 5 seconden nog maar 8 over heb;
* En over nog eens 5 seconden nog maar 4;
* En weer 5 seconden later nog maar 2; etc.
D.w.z. na iedere 5 seconde raak ik de helft kwijt. Vandaar de naam
“Halfwaardetijd”.
Nu de zwarte balk. Net zoals door die vonkenkamer schieten hier ook muonen doorheen en net als bij die vonkenkamer geeft dat ook een flitsje in die balk. Wij zien die flitsjes niet, maar aan het einde van de balk zit een lichtdetector die de flitsjes wel ziet. Meestal één flitsje van een muon dat door de balk schiet. Soms echter twee flitsjes kort
achter elkaar. En dat zijn de leuke. Het eerste flitsje is van het muon wat de balk inkomt en daar dan stopt. Dan zit het daar te zitten. En dan … vervalt het muon. Het wegschietende elektron geeft net als het muon ook weer een flitsje. Twee flitsjes kort achter elkaar dus! De tijd tussen die twee flitsjes is een maat voor hoe lang een muon leeft. Als je dit vaak genoeg meet zoals in deze grafiek kan je afschatten wat de muon halfwaardetijd is. Iets meer dan 1 miljoenste van een seconde!
De meeste muonen suizen ongeveer met de lichtsnelheid d.w.z.
met een duizelingwekkende 300 duizend km/s naar beneden. Als ze typisch 1 miljoenste van een seconde leven leggen ze dus 1 miljoenste van 300 duizend km oftewel 300 meter af.
Wacht eens even: die muonen komen toch van tientallen
kilometers hoog in de dampkring? Hoe kan dat nou? Om dat te begrijpen heb je de relativiteitstheorie van Einstein nodig.
De essentie daarvan is dat Einstein stelde dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is. Die 300 duizend km/s dus. Eigenlijk een absurde hypothese. Stel je voor ik schijn met deze laserpen.
U ziet het licht er met 300 duizend km/s uitkomen. En als ik heel hard ga lopen: komt het er nog steeds uit met 300 duizend km/s!
En wat merken ze dan? Daarvoor moeten we eens goed kijken naar het begrip tijd en dan gaan we iets heel revolutionairs vinden.
Om dat duidelijk te maken introduceer ik een speciale klok. Een klok gebaseerd op een lichtpulsje dat tussen twee spiegels heen en weer ketst. Veronderstel dat de tennisbal het lichtflitsje is en mijn hand en de grond de spiegels. Dit is dan een tik van deze klok (tennisbal heen en weer). Hoe lang duurt dat in seconden?
Nou twee keer de afstand gedeeld door snelheid van het licht.
Heel kort dus.
Tikt deze klok nu even snel als hij beweegt? Kijk eens: als ik loop ketst het balletje zo tussen mijn hand en de grond. Is de tijd van de tik voor u nu hetzelfde? We hebben net afgesproken dat de lichtsnelheid niet verandert. Maar het licht pad is voor u nu wel anders. Namelijk twee scheve lijnen. Dus langer dan zo net. En dus tikt een bewegende klok voor u langzamer! Schokkend he? En bij een snelbewegend muon tikt het klokje echt ontzettend
langzaam d.w.z. hij leeft vanuit ons gezien veel langer dan een stilstaand muon! Vreemd he? Toch is het echt waar!
11
In dit college hebben we geleerd dat het elektron een zwaarder broertje heeft: het muon. Dat er elke seconde een muon door uw hand gaat en dat dat te maken heeft met kosmische straling. En dat muon is instabiel: hij leeft slechts een paar miljoenste van een seconde. En om het beeld completer te maken vertel ik dat het elektron en muon ook een nog zwaarder zusje hebben: het tau deeltje.
Ook nog iets zeggen over toepassingen: containers doorlichten en pyramides voor schatkamers?
O ja en de vraag uit het begin:
Is een reis naar Mars gevaarlijk?
Het antwoord is ja. En niet alleen omdat je in een raket moet, maar ook omdat je daar ver weg van onze beschermende
dampkring fors last kan hebben van kosmische stralen.
In het volgend college ga ik in op de vraag:
