Put kroz mikro Kosmos (Tajne kosmičkog zračenja)

1. Put kroz mikro Kosmos(Tajne kosmičkog zračenja) Dr Tijana Prodanović PMF Novi Sad Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

2. Veliki-mali Svemir • Veliki stanovnici • galaksije, zvezde ... • Astronomi, astrofizičari • Mali stanovnici • čestice u Svemiru • “Who are you gonna call?!” • astrofizičar+nuklearni fizičar+kosmolog = Astročestičar!  Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

3. Kosmičko zračenje • Nije SF • Nije “pravo” zračenje kao svetlost • Brze (~ c), naelektrisane čestice koje ispunjavaju svemir • protoni (H), jezgra težih elemenata (na pr. He-alfa čestice), elektroni • (nekada i gama zračenje i neutrini) • kao “svemirska kiša” TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

4. Čestice u Svemiru – pa šta!? • Odakle dolaze? • Šta to znači? Kakav proces u svemiru ih stvara? • Energije veće od bilo čega na Zemlji! • Svemir je najmoćniji akcelerator za siromahe! • Poreklo hemijskih elemenata • Mutacije? • Kompjuterska industrija – sve manji delovi, sve više štete od kosmičkog zračenja Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

5. Šta to zrači? • Elektroskop • metalna šipka + (zlatna) folija • naelektrisan – folija odmaknuta od šipke • kad se razelektriše – folija se spoji sa šipkom • nešto jonizuje vazduh unutar elektroskopa (elektroni se odvoje iz atoma) • nastali joni u vazduhu unutra se lepe za foliju – razelektrišu je • elektroskop se “prazni” • Ali i savršeno izolovan elektroskop se prazni!? Nešto uvek jonizuje vazduh! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

6. Otkriće! • Victor Hess 1912. • Balon i elektroskop • potraga za jonizujućim zračenjem • opada sa visinom – potiče od prirodne radioaktivnosti • raste sa visinom na 1.5 km iznad površini i više! • slično i noću i danju – nije od Sunca • Svemir nas bombarduje jonizujućim zračenjem?! • Millikan 1925. daje naziv kosmičko zračenje • još nije bilo poznato dal su zraci il čestice Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

7. Sastav kosmičkog zračenja • Sastav – sličan međuzvezdanoj sredini • protoni (H) – 86% • alfa čestice (He) – 11% • teža jezgra (do uranijuma) – 1% • elektroni – 2% • ostalo (pozitroni itd.) < 1% • Li, Be i B su milion puta zastupljeniji! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

8. Sastav kosmičkog zračenja • Podela kosmičkog zračenja • primarno – nastalo na “izvoru” • sekundarno – nastalo u letu interakcijom primarnog KZ – spalacione reakcije • Li, Be i B nastali od kosmičkog zračenja u letu! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

9. Gde se nalazi kosmičko zračenje? • Svuda u galaksiji i van galaksije! • Tradicionalno kažemo galaktičko kosmičko zračenje (mada baš nije uvek tako) • Ispunjava prostor i šeta na sve strane • svetlost (u glavnom) ide pravo – znate gde je izvor • kosmičko zračenje krivuda • naelektrisano + (galaktičko) magnetno polje = krivudanje • ne znamo gde je izvor Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

10. Kako znamo da su svuda? • Kosmički zraci bombarduju međuzvezdanu sredinu (MZS) • Nastaje gama zračenje • MZS najgušća u disku – najjače gama zračenje Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

11. Setimo se: energija i fluks • (Astro)čestičari koriste “posebne” jedinice za energiju • Umesto Dzul (J) koristi se elektron volt (eV) • 1 eV = 1 elektron volt = 1.6 x 10-19 J • energija koju dobije elektron kada se ubrza u polju potencijalne razlike (napona) 1 V • Energije velike te se koristi • GeV (giga eV)= 109 eV • TeV (tera eV)= 1012 eV, • PeV (peta eV)= 1015 eV • EeV (eta eV)= 1018 eV • Fluks = broj čestica/energiji/jed. površini/sekundi/prostornom uglu Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

12. Spektar kosmičkog zračenja • Kosmičko zračenje zahvata 12 redova veličine energija! • Ali fluks čestice naglo opada kao stepeni zakon! • broj čestica po energiji TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

13. Spektar kosmičkog zračenja • Spektar nije idealan • koleno na • članak na • Spektar • do kolena • od kolena do članka • posle članka TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

14. Kosmička kiša na zemlji • Kosmičko zračenje u atmosferi • Pljusak čestica (nastaje sekundarno KZ) • Samo sekundarno KZ stigne do površine • najviše mioni (stariji brat elektrona) Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

15. Jel to ptica? Jel to avion?Ne! To je kosmički mion! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

16. Solarno kosmičko zračenje • Sunčeve baklje, nekada i koronarne eksplozije • KZ energija nekoliko stotina MeV (mnogo slabije od galaktičkog kosmičkog zračenja) • Sunčev vetar – manja energija • Sastav sličan galaktičkom kosmičkom zračenju • Forbušov efekat – porast solarnog KZ smanjuje fluks galaktičkog KZ http://sohowww.nascom.nasa.gov/home.html TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

17. Polarna svetlost • Još jedan fenomen čestica u svemiru • Ogromni mehuri gasa izbačeni sa Sunca • Solarno kosmičko zračenje i solarni vetar • sliva se na polove • “sudara” sa vazduhom • polarna svetlost (aurora borealis) • ometanje satelita • Svemirska prognoza http://spaceweather.com/

18. Poreklo kosmičkog zračenja • Galaktičko kosmičko zračenje • Šta ima toliku energiju?! • Supernove! • Česte (1/100 god) i energične (kin. E. 1051erg=1044J=1053eV) • 10% energije ode na kosmičko zračenje (no problemo!) Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

19. “Svemir je akcelerator siromaha” Zel’dovich Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

20. Ubrzanje čestica • Sastojci • naelektrisane čestice • udarni talas – kao probijanje zvučnog zida • magnetno polje • Ubrzavanje u udarnom talasu bez (direktnih) sudara! • Gde god ima udarni talas + magnetno polje čestice se ubrzavaju • na pr. na Suncu TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

21. Dodatno ubrzanje • Fermijev mehanizam ubrzanja I reda u udarnim talasima • supernova – udarni talas –remeti mag. polje • čestica sredine uzme deo kinetičke energije kad prodje udarni talas • čestica se odbija o nepravilno magnetno polje – “random walk” • čestica biva vraćena kroz udarni talas ... pa jovo nanovo TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

22. Ubrzanje ima granicu... • Zavisi od magnetnog polja • naelektrisane čestice su zarobljene u mag. polju • dok je tzv. giro-radijus čestice < veličine regiona • ali sa dovoljnom energijom mogu da se oslobode • ubrzane čestice beže daleko od udarnog talasa i čak iz Galaksije! Ze – naelektrisanje čestice B – magnetna indukcija L – veličina regiona ubrzanja Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

23. Nedovoljno ubrzanje • Za supernove i Gal. mag. polje max energija je oko 1015 eV za protone, pa do oko 1017 za gvožđe • Al šta dalje? Šta daje “članak”? ? Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

24. Ultra high energy cosmic rays (UHECR) • Kosmičko zračenje najvećih energija (LHC no problemo!) • Ekstremna energija • Kao kada Nole servira! • m=57g , v=188 km/h • Ali ne bi bolelo • impuls! (ko će srušiti zid? Metak – brz a mali, ili tenk – velik a spor?) • impuls kosmičkog zračenja 10000 puta manji od impulsa puža! • U ostalom oni ni ne dopru do vaše glave TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

25. UHECR poreklo? • Šta je dovoljno energično a ne tako često ko supernove? • Nešto Egzotično! • Džetovi aktivnih galaktičkih jezgara • Gama bljeskovi (kolaps zvezde u crnu rupu, ili sudar neutronskih zvezda) • jako “namagnetisane” rotirajuće neutronske zvezde • brzo-rotirajuće crne rupe • iz procesa u doba Velikog Praska Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

26. Ali...GZK granica • Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) efekat • svemir neprozračan za velike energije • kosmičko zračenje se “sudara” sa fotonima kosmičkog pozadinskog zračenja (CMB) - nastaju pioni • izuzetno efikasno • svo kosmičko zračenje se “brzo” potroši! • minimalna energija 3x1019 eV • GZK granica na 3x1020 eV GZK granica Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

27. Šta znači GZK granica? • Što dalje putuje (duže “živi”) super-energičan kosmički zrak to je veća verovatnoća da će se on potrošiti (na pravljenje piona) • Tj. nakon 50 Mpc svo UHECR treba da bude potrošeno! Znači • ako ih vidimo – dolaze sa manje daljine • ako ih ne vidimo – potiču sa veće daljine • Velika energija – ne skreću u mag. polju – znamo pravac! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

28. Misterija ili greška? • “Agasa” ne vidi GZK: • ili su UHECR blizu • ili nova fizika • Ali ne vidimo neki • poseban pravac – • nisu blizu • “HiRes” vidi GZK: • UHECR daleko • fizika ok Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

29. Piere AUGER to the rescue! 2007. GZK granica potvrđena! Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

30. UHECR mapirani! 8.Nov. 2007. Super- galaktička ravan Galaktička latituda • Poklapanje položaja AGJ sa • kosmičkim zračenjem najvećih energija! • UHECR potiču od aktivnih galaktičkih jezgara! Galaktička ravan Galaktička longituda Detektovano kosmičko zračenje sa energ. (obližnja) Aktivna galaktička jezgra

31. I zapamtite...Mali svemir – velika muka – veći nauk • Kosmičko zračenje – naelektrisane čestice velikih energija • Ispunjava svemir • Potiče od • ostataka supernovih – galaktičko kosmičko zračenje • sunca – bljeskovi i koronarne eksplozije • UHECR – najveće energije – aktivna galaktička jezgra • Bitno za • proizvodnju nekih elemenata (Li) • čestičnu i nuklearnu fiziku • genetiku • astroifiziku eksptremnih sredina i procesa Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

32. Hvala! Pitanja? Tijana Prodanović - prodanvc@df.uns.ac.rs

33. UHECR • Velika energija ~1020 eV =16 J • Kao kada Nole servira! • m=57g , v=188 km/h • Ali ne bi bolelo – impuls kosmičkog zraka je mali (ko će srušiti zid? Metak – brz a mali, ili tenk – velik a spor?) • UHECR • m=10g, v=0.013 m/s • U ostalom oni ni ne dopru do vaše glave TijanaProdanović - prodanvc@df.uns.ac.rs