Само један једини протон који долази однекуд из свемира, својим сударима са атомима у стратосфери изазива пљусак од милион секундардних честица
Текст: Марија Видић и Слободан Бубњевић
Ултрабрзи протон из дубоког свемира креће се ка стратосфери планете Земље. У разређеном гасу на висини од 50 километара од тла, овде атоми кисеоника и азота нехајно зује на температури нижој од нуле. Околни ваздух је све ређи, а изнад њега се простире непрегледно пространство свемира. Овај тихи појас атмосфере је баријера која дели планету од космоса. Међутим, заједно са овим брзим протоном, оданде, из ко зна каквих дубина, непрекидно допире сва сила космичког зрачења – прави пљусак протона који ударају у планету са свих страна.
У само један квадратни центиметар атмосфере, за само једну секунду, у просеку удари чак 20 протона који стижу из свемира. Неки од ових протона имају енергију која је чак десет милиона пута већа од енергије коју достижу снопови протона убрзани на Великом сударачу хадрона у ЦЕРН-у, најмоћнијој машини коју је човек направио. Енергија таквог космичког зрачења може да достигне и 100 милиона тераелектронволти.
Међутим, ови врели протони не падају на тло. Они снажно ударају у атоме кисеоника и азота чиме изазивају читав низ процеса који касније имају велике последице по живот и околности на Земљи. Удари протона у атоме праве серију нових судара. И нових честица. У таквој каскади настају нове брзе честице као што су миони, пиони и позитрони, које затим ударају у нове атоме и стварају још нових честица. Само један једини протон, поменут на почетку текста, са тако великом енергијом као што је 100 милиона тераелектронволти у стратосфери својим сударима изазива пљусак од милион секундардних честица које се распростиру у ширину од неколико километара.
Климатске промене?
Да ли су космички зраци заправо узроковали климатске промене? Ова дилема, ослоњена на знатно старију тезу о Сунчевој активности као потенцијалном узроку глобалног загревања, данас се интензивно истражује. У ту намену, Џаспер Кирби и његов тим из ЦЕРН-а су пројектовали такозвани CLOUD експеримент, којим су у затвореном простору изоловали делове атмосфере и бомбардовали га протонима високе енергије. То заиста доводи до промене и кондензације капљица, али се показује да тако потенцијално настају капи велике свега неколико нанометара, што је сасвим недовољно да буде „семе“ за облаке или чак створи падавине, нити да на било који начин утиче на климу.
Само примарно зрачење падајући надоле губи на снази. За разлику од двадесет честица у секунди на врху атмосфере, на тло на нивоу мора слети свега једна честица у минуту. Иначе, на земљу, поред космичког зрачења долазе и честице познате као неутрина. Неки од њих настају у нуклеарним процесима у којима космичко зрачење кидајући језгра производи радиоактивне изотопе који се потом спуштају на тло. Но, нека неутрина долазе и директно из свемира – то су углавном сунчева неутрина која, пошто су неутрина, немају наелектрисање и изузетно су лагана, пролазе не само кроз атмосферу него и кроз кору Земље. Оваква неутрина се устаљено не сматрају за космичко зрачење.
Космичко зрачење долази са много веће дубине. Но, одакле су ови протони? Како су настали и зашто имају тако високе енергије? Пун век након открића космичког зрачења, у доба кад се у ЦЕРН-у протони убрзавају до неслућених енергија, кад не само да их са лакоћом ловимо у детекторима, него и креирамо некада непознате честице као што су миони и позитрони, и даље једва да ишта знамо о томе одакле оно долази.
ЛЕТ БАЛОНОМ
Космичко зрачење је откривено пре једног пуног века, 1912. године, у серији хазардних огледа који се могу чак упоредити са данашњим подвигом Феликса Баумгартнера. Аустријски физичар Виктор Хес (1883–1964) начинио је током те и претходне године чак десет полетања балоном до огромних висина, како би покушао да одгонетне порекло мистериозне радијације коју су тих година запазили француски научници. Још од 1896, откако је откривена природна радиоактивност, велики број физичара се посветио експериментима са овом мистериозном појавом.
Физичаре је посебно збуњивало свеопште присуство радијације у окружењу, које се могло детектовати и тадашњим примитивним инструментима и које није уопште зависило од тога има ли или нема радиоактивног извора. Вршена су мерења чак и на отвореном мору и показало се да радијација допире чак и тамо, мада радиоактивних извора нема миљама у околини. И онда се 1910. немачки физичар и језуита Теодор Вулф (1868–1946) попео чак и на врх Ајфеловог торња да измери има ли на његовом врху радијације. Показало се да је на висини од 330 метара и те како има и уз то – да је већег интензитета. Након тога ће Вулф чак закључити да је ова радијација вероватно још јача на већим висинама.
Следећи ову замисао, Виктор Хес ће започети своје експерименте балоном и попети се на за то доба огромне висине. На нижим висинама Хесови инструменти ће показивати да зрачење опада како се он пење. Међутим, на око 1000 метара, Хес ће уочити да се ситуација мења и да интензитет тог зрачења постаје све јачи. И потом још јачи. У једном од својих десет храбрих подухвата, Хес ће се попети до висине од 5000 метара. Инструменти ће му овде показати да је интензитет зрачења чак пет пута већи него на тлу.
Схвативши да то зрачење очигледно долази одозго, Хес ће закључити да је реч о зрачењу које у атмосферу долази из свемира. Након објављивања Хесовог рада у журналу Аустријске академије наука, постаће јасно да Земљу непрекидно засипају необичне честице високе енергије, али ће ово откриће бити и критиковано. Амерички угледни физичар Роберт Миликен (1868–1953), познат по експерименту којим је показао да је наелектрисање електрона негативно, покушаће да оспори Хесове налазе, али ће након сопствених мерења закључити да чудновато зрачење заиста постоји. Миликен ће му 1925. године и дати назив „космичко зрачење“, који од тада постаје распрострањен.
Како би га што прецизније измерио, Миликен конструише електрометар чија се очитавања могу снимити на филму, тако да шаље у висину беспилотне балоне и њима мери интензитет зрачења. То му омогућује да изврши велики број мерења, тако да Миликен чак почиње да тврди како је он заслужан за само откриће. Но, евентуална неправда ће бити сасвим отклоњена већ 1936. када Виктор Хес добија Нобелову награду за откриће космичког зрачења. Иронијом, Хес две године касније напушта Аустрију, где због нарастајућег нацизма не може да остане са својом супругом јеврејског порекла, тако да се сели у Америку.
ТРАГОВИ У ПАРИ
У међувремену, један совјетски научник још 1927. долази до сасвим новог начина лова на космичко зрачење – Димитриј Скобелцин (1892–1990) експериментише са мехурастим коморама у којима, у пари која само што није прокључала, посматра трагове од мехурића који настају при проласку елементарних честица. Он посматра електроне и друге честице, постављајући темеље оног што ће физичари снимати деценијама потом на детекеторима акцелератора. Међутим, зачудна ствар коју примећује кад укључи магнетно поље у комори јесу трагови који готово равно пролазе кроз њу – то су први снимљени трагови космичког зрачења велике енергије.
Временом ће захваљујући космичком зрачењу, физичари открити читав низ честица које настају у пљуску након судара високоенергетских протона – Андерсон 1931. открива позитроне, позитивне античестице електрону, а са годинама се физика високих енергија све више развија, почињу да се снимају и миони, који се најчешће детектују у секундарном пљуску насталом ударом космичког зрачења у атмосферске атоме.
1896. Бекелер открива природну радиоактивност
1910. Теодор Вулф мери снажну радиоактиовност
1912. Виктор Хес открива космичко зрачење
1925. Роберт Миликен смишља назив космичко зрачење
1927. Димитриј Скобелцин уочава први траг космичких зрака
1936. Нобелова награда за космичко зрачење Виктору Хесу
2010. Изградња IceCube детектора на Антарктику
Данас се за лов на космичко зрачење користи сијасет детектора, али свакако је најпознатији подземни IceCube детектор, који је закопан испод леда на Антарктику, а почео је са радом 2010. године. Овај детектор се састоји од бројних струна које су укопане у лед на дубинама од 1500 до 2500 метара. У међувремену, људи већ деценијама користе не само детекторе честице већ и вештачке убрзиваче честица који током 20. века постају све већи и већи, све до изградње LHC-а, на коме се такође од 2010. достижу енергије упоредиве са космичким зрачењем.
Међутим, главна тајна космичког зрачења остаје неодгонетнута. Одакле оно долази? Зашто се јавља у целом универзуму и може ли се снимити на сваком делићу неба? Колико је старо? Зашто има тако високе енергије? Будући да је космос испуњен фотонима светлости, према теоријском моделу коју су поставили Грејсен, Зацепин и Кузмин, протони тако високе енергије не би могли да пређу више од 150 милиона светлосних година, а да не интерагују са фотонима. То значи да би кад стигну на земљу смели да имају енергију од само 50 милиона тераелектронволти, али детектори, као што је поменуто, бележе и зрачење од 100 милиона ТеVа.
Уз то, порекло ових зрака је једна од највећих мистерија савремене науке. Неколико теорија нема поуздану потврду, као што је идеја о великим ударима гама зрака насталих у сударима у међугалактичком простору. Она по свему судећи није одржива, пошто детектори као што је IceCube не могу да улове ниједан неутрино високе енергије који би морао да прати такве изливе гама зрака. Поред тога, разматра се и могућност да је најснажније космичко зрачење потекло од супертешких црних рупа из центра галаксије.
Штетне последице
Да је уместо Кјуриосити ровера, под свом могућом заштитом, на Марс отпутовао човек, тешко да би се жив вратио на Земљу. Стручњаци упозоравају да када би астронаути примили такву дозу зрачења, најмање један од њих десеторо умро би од рака. Чланови такве посаде вероватно би оболели од катаракте, а постали би неплодни или би рађали децу са генетским поремећајима, закључује се у студији Америчке федералне администрације за авијацију.
Космичко зрачење сматра се једним од ограничавајућих фактора за свемирска путовања, а научници за сада немају одговор на питање како у будућности превазићи овај проблем. Можда би човек уз велике мере опреза и заштите могао да отпутује на Марс или Венеру, али никако на Јупитер или Сатурн, закључују истраживачи.
Током експедиције до Марса и назад, која би са једногодишњим боравком на тој планети трајала укупно 2,7 година, човек би примио изузетно високу дозу зрачења од око 2,26 сиверта. Око десет одсто мушкараца и 17 одсто жена старости између 25 и 34 године који би учествовали у таквој мисији, касније у животу оболели би од рака.
Но, шта је са путовањем авионом? На висини од десет километара изнад Земље, на којој лети већина авиона, нивои космичког зрачења су око 150 пута већи у односу на површину планете. Још су виши како се приближавамо половима. Нека истраживања показала су да такве дозе могу бити опасне по човеково здравље, нарочито код пилота и остале посаде авиона, као и особа које често лете. Пре неколико година, ова тема је на сасвим необичан начин дошла у жижу, захваљујући великом броју часописа, укључујући и таблоиде: манекенка Ели Мекфирсон је током једног лета своју бебу покушала да заштити од космичког зрачења тако што ју је држала у колевци која је обложена оловом.
Неке студије сугеришу да чак ни људи који редовно путују нису у повећаном ризику, али, с друге стране, истраживања спроведена на мањим групама су потврдила да чланице посаде авиона имају дупло већи ризик (у односу на општу популацију) да оболе од рака дојке, и око 15 пута већу шансу да оболе од рака коже.
Новија, већа студија која је обухватила око 44.000 европских пилота и авионског особља, потврдила је, међутим, да међу њима стопа оболевања од рака није већа у односу на општу популацију. Истраживачи су ипак открили повећану стопу оболевања од рака коже код мушкараца, али су закључили да је вероватније да је он последица превише сунчања, пошто пилоти, како су навели, много чешће иду на одморе и изложенији су сунцу, пошто су им путовања бесплатна.
International Journal of Cancer објавио је резултате нешто мање студије у којој су испитивани само пилоти, њих 28.000. Ова студија потврдила је да људи који се баве том професијом нису у повећаном ризику.
Неки општеприхваћени закључак, мада ни њега ове студије нису успеле да докажу, јесте да људи који годишње током три деценије проводе по више од 750 сати на овим висинама, имају око десет одсто више шансе да добију канцер. Из предострожности, истраживачи ипак препоручују да труднице не би требало да проводе толико времена у авиону. Они, на крају, наглашавају и да су сви људи који су учествовали у истраживањима, још врло млади и да не постоји начин да се предвиди да ли ће они можда у старости оболевати од рака у повећаној стопи.