Skip to ContentSkip to Navigation
KVI - Center for Advanced Radiation TechnologyOnderzoek en onderwijs

Scholierenproject "Kosmische Straling"

High-School Project on Astrophysics Research with Cosmics 
quasar

Deeltjes uit de ruimte

De aarde wordt voortdurend gebombardeerd door energetische deeltjes en straling uit de ruimte; in het electromagnetische spectrum bereiken ons b.v. licht, microgolven en gammastraling. Daarnaast ontvangen we grote aantallen neutrino's van de zon en andere sterren, hoewel die in een aardse detector slechts uiterst zwakke effecten veroorzaken en dus moeilijk waar te nemen zijn.

Een derde component van de kosmische straling bestaat uit geladen deeltjes, vooral protonen en zwaardere atoomkernen. De herkomst van deze straling is divers, en niet in alle gevallen bekend. Waterstof en helium zijn in het vroege heelal gemaakt, en vormen samen meer dan 99% van de gewone materie in het heelal. Atoomkernen zwaarder dan helium worden alleen in sterren gemaakt; ze kunnen de interstellaire ruimte ingeslingerd worden tijdens intens energetische gebeurtenissen zoals de implosie van een massieve ster, zichtbaar als een supernova. De mechanismen waardoor geladen deeltjes in de ruimte versneld worden zijn slechts ten dele bekend. Schokgolven, die bij sterimplosies ontstaan, of in jetstromen gemaakt door actieve melkwegkernen kunnen als deeltjesversneller werken. Ook bij het uiteenvallen van een instabiel zwaar deeltje in lichtere kunnen de brokstukken een grote energie meekrijgen.

L_spectrum

De aantallen geladen deeltjes van verschillende energie die ons bereiken zijn weergegeven in figuur 1. De energie is daar uitgedrukt in aantallen elektronvolt, de energie die een elektron krijgt als het een potentiaalverschil van 1 volt doorloopt. Het is duidelijk dat het aantal deeltjes uit de ruimte bij toenemende energie zeer snel afneemt; dit geldt in het bijzonder voor de deeltjes met de hoogste energie, meer dan 1015 elektronvolt per kerndeeltje. Een reden waarom de aantallen deeltjes in dit energiebereik sneller afneemt kan zijn, dat deze deeltjes in staat zijn uit ons melkwegstelsel te ontsnappen. Deeltjes met minder energie worden gevangen gehouden door het magnetisch veld van ons melkwegstelsel, ook al is dit zeer zwak (~3 microgauss). Door het rondcirkelen van deze deeltjes in het galactisch magneetveld is het niet mogelijk vast te stellen waar deze deeltjes vandaan komen en waar ze gemaakt worden.

De deeltjes met de hoogste energie (meer dan 1015 elektronvolt) kunnen wel naar de intergalactische ruimte ontsnappen. Omgekeerd komen sommige hoog-energetische deeltjes vanuit andere sterrenstelsels door de intergalactische ruimte tot ons. Van deze deeltjes, waarvan de baan niet sterk wordt afgebogen, kunnen we misschien wel iets ontdekken over hun oorsprong. De flux van deze deeltjes boven in de atmosfeer is echter minder dan 1 deeltje per vierkante meter per jaar. In principe worden er geen deeltjes verwacht met een energie van meer dan 1019 elektronvolt, omdat protonen in dat geval hun energie snel verliezen door wisselwerkingen met de kosmische microgolfachtergrond.

Het effekt van een hoog-energetisch deeltje dat onze atmosfeer binnendringt is het maken van een lawine van secundaire deeltjes: fotonen, elektronen en hun zwaardere verwanten, de muonen. Deze verspreiden zich over een groot oppervlak, en kunnen worden waargenomen door een netwerk van detectoren op aarde. Zo'n waarneming is natuurlijk indirekt, maar uit het dichtheidsprofiel en de aankomsttijden van de lawine van secundaire deeltjes kan men de energie en richting van het oorspronkelijke (primaire) deeltje reconstrueren.

HISPARC: Onderzoek en voortgezet onderwijs

Dichtbevolkte gebieden (stedelijke agglomeraties) zijn bij uitstek geschikt om een netwerk van meetstations te huisvesten. De noodzakelijke infrastructuur (internet, netspanning) is hier voorhanden. In de praktijk blijkt de gemiddelde afstand tussen scholen voor voortgezet onderwijs (en andere openbare instellingen) aardig overeen te komen met de gewenste onderlinge afstand tussen de meetstations: ~1 km.

Naast het bieden van geschikte locaties, kan op de scholen voldoende enthousiaste menskracht gevonden worden (onderwijskrachten, technische assistenten, leerlingen) om de apparatuur op te bouwen en operationeel te houden.

Naast het wetenschappelijke programma is uiteraard de ‘outreach’ een van de belangrijkste drijfveren om nauwe samenwerking tussen voortgezet en hoger onderwijs te bewerkstelligen. Scholieren komen op deze wijze direct in aanraking met technische hulpmiddelen als computergestuurde datauitlezing, exacte tijd- en positiebepaling door middel van een geïntegreerd GPS systeem en internet als hulpmiddel voor datatransport.

Het experiment leent zich bij uitstek tot het opstellen van diverse profielwerkstukken met zowel wetenschappelijke als technologische aspecten. De lange looptijd (en gestage uitbreiding van het aantal clusters van meetstations) garandeert een efficiënt gebruik van de investeringen. Vele jaargangen leerlingen kunnen profiteren van de geboden infrastructuur.

L_stat

Experiment

Voor de detectie van de geladen deeltjes die ontstaan zijn tijdens botsingen van hoog energetische kosmische stralen met onze atmosfeer, wordt gebruik gemaakt van scintillators (zie onderstaande figuur 1). Het materiaal waarvan deze detectoren gemaakt zijn, heeft als eigenschap een lichtflits te genereren als er een geladen deeltje door heen vliegt. De lichtintensiteit is afhankelijk van de hoeveelheid energie die door het inkomende geladen deeltje in het materiaal wordt afgestaan. De lichtpulsen worden door fotoversterkerbuizen omgezet in elektrische signalen. Deze worden met behulp van een oscilloscoopkaart in een PC opgeslagen.

Het aantal deeltjes dat per tijdseenheid de detector passeert is erg hoog. Omdat we alleen geïnteresseerd zijn in de deeltjes die uit dezelfde lawine komen (en dus van hetzelfde inkomende kosmische deeltje afkomstig zijn), wordt gebruikt gemaakt van twee scintillatorplaten (ieder 0.5 m2) met een onderling horizontale afstand van een aantal meter. Er dienen door beide platen gelijktijdig deeltjes te gaan. Deeltjes uit dezelfde lawine komen namelijk op bijna precies hetzelfde moment op aarde aan.

Door nu de gegevens van de verschillende meetstations te correleren, kunnen deeltjeslawines onderzocht worden, die zich over een oppervlak van honderden vierkante kilometer uitstrekken!

Met behulp van de deeltjesdichtheid en hoek van inval kan uiteindelijk de energie van het kosmische deeltje bepaald worden die de lawine veroorzaakt heeft.

De bouw van een meetstation wordt door de leerlingen zelf gedaan onder begeleiding van onderwijskrachten en technische assistenten. Links is te zien hoe scholieren uit Nijmegen een detector bouwen en installeren.

De elektrische signalen worden met behulp van een oscilloscoopkaart in een PC vastgelegd, nadat iedere meting voorzien is met een exact tijdstempel. Vervolgens wordt de data via internet naar een centrale computer getransporteerd waar alle data van de individuele stations wordt gecombineerd. Gelijktijdige signalen worden binnen enkele microseconden (0,000001 sec.) getraceerd. Van deze gebeurtenissen wordt de richting en energie bepaald. Tenslotte wordt de volledig gereconstrueerde gebeurtenis via het internet ter beschikking van scholen gesteld.

Laatst gewijzigd:28 januari 2014 12:04