انواع ريزش هاي كيهاني

1) ريزش هاي هادرونيك ( Hadronic Cascades ):

اين ريزش ها بيشتر از ذراتي مانند پروتون ها تشكيل شده اند و پرتوزايي خود آنها باعث تجزيه ي آنها بر فراز جو مي شود.

مي توانيم اين عمل متقابل را به صورت زير نيز بنويسيم:

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

كه در اين معادله  CR' باقيمانده ي اصلي پرتوهاي كيهاني مي باشد كه مي تواند باعث ايجاد واكنش هاي بيشتري با هسته هاي اتمسفري شود.

اگر اصل پرتوهاي كيهاني انرژي كافي را داشته باشند حتي پرتوها مي توانند به سطح زمين نيز برسند.

AN' باقيمانده ي هسته هاي اتمسفري مي باشد كه داراي انرژي بالايي هستند.

همچنين مقدار توليدي ار تجزيه ي هسته ها نيز همان (مزون ها) مي باشند كه مي توانند در دنباله ي مادون توليد مزوني پرتوزا كنند.

پرتوزايي در دو مرحله از انرژي پرتوهاي گاما مي تواند سرچشمه ي جز اصلي الكترومغناطيس ريزش باشد زيرا از اين به بعد الكترون ها و پرتوهاي گاماي توليد شده مي توانند داراي جز اصلي ساخته شده از الكترون ها و يا گاماهايي باشند كه در پديده يبزامشتراهلونگ ( Bremsstrahlung ) {تابش ترمزي} يا در تركيب دوتايي توليد شده اند.

شكل: مدل هندسي پرتوزايي تشعشعات چرنكوف براي اشعه ي گاما و ريزش هادرونيك

همچنين فرآيندي كه در آن اين مادون ريزش ها توسعه مي يابند (مانند فرآيند الكترومغناطيس) خالص است.

2) ريزش هاي الكترومغناطيسي ( Electromagnetic Cascades ):

ريزش هاي الكترومغناطيس هنگاميكه انرژي ها در اين فرآيند سهيم باشند (بر فراز اتمسفر) پرتوهاي گاما را در جو غوطه ور مي كنند.

در واقع اين پديده ها توليد تركيبي همان اثرات غالب ( Dominant Effect ) هستند كه البته اين تنها در مورد ريزشهاي پهناور جوي ( Extensive Air Showers ) صادق است. (اين نوع از ريزش ها را در بخش بعدي بررسي مي كنيم).

فرآيند توليد تركيبي در زمينه اي از هسته هاي اتمسفري و يا الكترون ها به منظور حفظ نيروي حركت صورت مي گيرد.

طي اين فرآيند يك فوتون با انرژي بالا (حداقل 1.022 مگا الكترون ولت) در ماده به يك جفت الكترون – پوزيترون تبديل مي شود.

اگر انرژي كافي باشد جفت الكترون نهايي انرژي خود را به سرعت بوسيله ي واكنش يوني از دست نخواهد داد. در مقابل يك الكترون در زمينه اي از ذرات بنيادين هسته مي تواند اشعه ي گاماي ثانويه را توليد كند. اين توليد همان اثر بزامشتراهلونگ ناميده مي شود.

اين اشعه ي گاما (اگر انرژي هنوز از 1.022 مگا الكترون ولت بيشتر باشد) مي تواند جفت الكتروني ديگري را توليد كند كه آنها مي توانند واكنش هاي بزامشتراهلونگ بيشتري را تحمل كنند.

كه در نهايت نتيجه ي آن يك ريزش فوتوني – الكتروني و پوزيتروني خواهد بود كه مي توانند در مسير قبلي حركت اشعه هاي گاما حركت كرده و در انرژي كل سهيم باشند.

3) ريزش هاي فراگير جوي ( Extensive Air Showers [EAS] ):

ريزش هاي فراگير جوي تا قبل از واضح شدن ابهامات در مورد پرتوهاي كيهاني در سال 1927 وجود نداشت.

همچنين تمامي فرضيه ها در مقابل توضيح پرتوهاي كيهاني به صورت فوتونيك (با قالب نوري) از خواص ذره اي دفاع مي كردند.

اما امروزه با درك كامل پرتوهاي كيهاني توانسته ايم منشا تمام ذرات و پرتوهاي پر انرژي را كه از فضاي خارجي وارد زمين مي شوند بفهميم.

در حقيقيت پرتوهاي كيهاني از هسته ي اتم (96 درصد هيدروژن – 3 درصد هليم – 1 درصد كربن – نيتروژن – اكسيژن – فلئور) + پرتوهاي گاما - الكترون ها - پوزيترون ها – نوترينو ها و انواع ديگر ذرات بنيادي تشكيل شده اند.

پرتوهاي كيهاني تا قبل از اينكه به زمين برسند از منابع پرتوزا نشات مي گيرند كه البته بعضي از مواد متشكل آنها طي فرآيند گذر از كهشكان ها به دليل انجام واكنش هاي ميان ستاره اي (از قبيل: تجزيه و يونيزه شدن) بوجود مي آيند.

در واقع مواد متشكل نام برده چيزي است كه به زمين مي رسد. به همين دليل تركيب اصلي ديگري را براي پرتوهاي كيهاني پيش بيني مي كنيم.

اصولا همين تركيبات نيز هنگاميكه به اتمسفر زمين مي رسند طي واكنش هايي با هسته هاي تشكيل دهنده ي اتمسفر به ذرات ثانويه اي تبديل مي شوند كه ريزش هاي فراگير جوي نام دارند.

ذرات اوليه ي EAS در لايه هاي فوقاني جو بيشتر تشكيل شده از هسته هاي اتمي – فوتون ها و پرتوهاي آلفا هستند. (به صورت مقداري از هسته هاي سنگين كمتر هستند).

توزيع اينگونه از وقايع تركيبي هستند و طيف ها خبر از انرژي بالاي 10^20 الكترون ولت مي دهند كه اين مقدار براي پرتوهاي آلفا زياد است.

بنابراين شايد به  صورت تقريبي اين دسته از فرايندها را بتوان دنباله روي قانون سلطه ( Potency Law ) دانست.

اين طيف ها را مي توان به پرتوهاي گاما ربط داد: 

 E 

 كه در آن γ تقريبا 2.6 است.

هيچ كدام از اين ذرات پر انرژي به زمين نمي رسند و تنها از اين فرآيند مقدار كمي پرتوي گاما (1 از 1000) به صورت EAS در جو توليد مي شود.

4) پرتوهاي چرنكوف در EAS :

براي انرژي هاي اوليه (كمتر از 20 ترا الكترون ولت) ريزش هاي هادرونيك در لايه هاي فوقاني اتمسفر نابود مي شود اما پرتوهاي چرنكوف توسط بارهايي كه به ارتفاعات سطحي زمين نفوذ مي كنند توليد مي شوند.

اگرچه حركت موجي اين جريانات در نقطه ي نشات آنها و گسترش بعد از آن پرتوهاي چرنكوف را دوباره به نقطه ي ابتدايي آنها (محل پرتوهاي گاماي ابتدايي در كره ي سماوي) بر مي گرداند.

در ريزش هاي الكترومغناطيسي الكترون ها و پوزيترون ها اعضاي تشكيل دهنده ي پرتوهاي چرنكوف هستند.

اين موضوع هنگامي درست است كه انرژي ذرات از مقدار Min آستانه ي   فراتر رود. (همانطور كه معادله ي 1.9 نشان مي دهد).

اين نهايت (آستانه) برابر با 21 مگا الكترون ولت در هنگام رصد مي باشد كه در ارتفاع 7.5 كيلومتري از سطح دريا يه 35 مگا الكترون ولت افزايش مي يابد. علت اين تغيير در  اختلاف بين سرعت آستانه ي پرتوهاي چرنكوف است كه طي واكنش هاي تجزيه اي در اتمسفر ايجاد مي شود.

بر مبناي همين نوع از واكنش هاي تجزيه مقدار   را تخمين بزنيم.

مي دانيم كه سرعت نور در ميانه ي مشخص از رابطه ي زير بدست مي آيد:

(1.7) 

كه در آن C سرعت نور در خلا و n شاخص تجزيه در ارتفاع اتمسفري داده شده ( H ) است.

آنگاه مي توانيم را به شكل زير بنويسيم. ( انرژي ذره اي نسبيتي ( Relativistic Particle )است كه با سرعتي معين حركت مي كند:

(1.8) 

بنابراين اگر بنويسيم n = 1 + δ و آنگاه برابر با   خواهد بود. كه از آن خواهيم داشت:

(1.9) 

حال مي توانيم بهتر پرتوهاي چرنكوف را در EAS بررسي و مطالعه كنيم. اين كار مي توان به دو صورت 1) بررسي گسترش طولي و يا 2) بررسي پراكندگي جانبي ريزش هاي ذره اي ادامه داد.

گسترش طولي اين ريزش ها به معناي توزيع در نقطه ي گسيل فوتون هاي چرنكوف مي باشد.

از شكل زير مي توان به آساني ديد كه ريزش ها مي توانند بعد از تيرگي ( Blur ) به Max خود برسند:

شكل (1.5): شبيه سازي مونته كارلو ( Monte Carlo ) در مورد توزيع طولي ريزش الكترومغناطيسي 1Tev

در سوي ديگر توزيع جانبي يك EAS (شكل1.6) در مورد پرتوهاي چرنكوف در واقع همان بررسي نقطه ي ساتع كننده ي پرتوهاي چرنكوف در سطح عمود به قطب ريزش است.

بنابراين  مي بينيم كه توزيع جانبي اينگونه حساس به گسترش طولي ريزش رفتار مي كند.

در اصول توزيع جانبي مي توان گفت كه شيب توزيع جانبي مرتبط به ريزش است كه مي تواند در ديدگان رصدگران چنين گسترش يابد.

هنگاميكه ريزش ها به شدت در اتمسفر گسترش مي يابند پديداري توزيع را بيشتر نمايان مي سازند كه به اين مدل خاص حلقه ي چرنكوف ( Cherenkov Ring ) مي گويند.

شكل (1.6): نمودار توزيع جانبي پرتوهاي چرنكوف بر وري زمين مخصوص به انواع خاصي از پرتوهاي گاما و ريزش هاي هادرونيك .

پرتوهاي گاماي القا شده به ريزش يك توزيع جانبي و سطحي نسبيتي نور را در خارج 125 متري فاصله ي شعاعي از مركز نشان مي دهد. 

"با تشكر"

ترجمه (انگليسي به فارسي): عليرضا يعقوبي

28-12-2006

منبع: http://www.gae.ucm.es

 عكس از: rscc.cc.tn.us