Samo jedan jedini proton koji dolazi odnekud iz svemira, svojim sudarima sa atomima u stratosferi izaziva pljusak od milion sekundardnih čestica
Tekst: Marija Vidić i Slobodan Bubnjević
Ultrabrzi proton iz dubokog svemira kreće se ka stratosferi planete Zemlje. U razređenom gasu na visini od 50 kilometara od tla, ovde atomi kiseonika i azota nehajno zuje na temperaturi nižoj od nule. Okolni vazduh je sve ređi, a iznad njega se prostire nepregledno prostranstvo svemira. Ovaj tihi pojas atmosfere je barijera koja deli planetu od kosmosa. Međutim, zajedno sa ovim brzim protonom, odande, iz ko zna kakvih dubina, neprekidno dopire sva sila kosmičkog zračenja – pravi pljusak protona koji udaraju u planetu sa svih strana.
U samo jedan kvadratni centimetar atmosfere, za samo jednu sekundu, u proseku udari čak 20 protona koji stižu iz svemira. Neki od ovih protona imaju energiju koja je čak deset miliona puta veća od energije koju dostižu snopovi protona ubrzani na Velikom sudaraču hadrona u CERN-u, najmoćnijoj mašini koju je čovek napravio. Energija takvog kosmičkog zračenja može da dostigne i 100 miliona teraelektronvolti.
Međutim, ovi vreli protoni ne padaju na tlo. Oni snažno udaraju u atome kiseonika i azota čime izazivaju čitav niz procesa koji kasnije imaju velike posledice po život i okolnosti na Zemlji. Udari protona u atome prave seriju novih sudara. I novih čestica. U takvoj kaskadi nastaju nove brze čestice kao što su mioni, pioni i pozitroni, koje zatim udaraju u nove atome i stvaraju još novih čestica. Samo jedan jedini proton, pomenut na početku teksta, sa tako velikom energijom kao što je 100 miliona teraelektronvolti u stratosferi svojim sudarima izaziva pljusak od milion sekundardnih čestica koje se rasprostiru u širinu od nekoliko kilometara.
Klimatske promene?
Da li su kosmički zraci zapravo uzrokovali klimatske promene? Ova dilema, oslonjena na znatno stariju tezu o Sunčevoj aktivnosti kao potencijalnom uzroku globalnog zagrevanja, danas se intenzivno istražuje. U tu namenu, Džasper Kirbi i njegov tim iz CERN-a su projektovali takozvani CLOUD eksperiment, kojim su u zatvorenom prostoru izolovali delove atmosfere i bombardovali ga protonima visoke energije. To zaista dovodi do promene i kondenzacije kapljica, ali se pokazuje da tako potencijalno nastaju kapi velike svega nekoliko nanometara, što je sasvim nedovoljno da bude „seme“ za oblake ili čak stvori padavine, niti da na bilo koji način utiče na klimu.
Samo primarno zračenje padajući nadole gubi na snazi. Za razliku od dvadeset čestica u sekundi na vrhu atmosfere, na tlo na nivou mora sleti svega jedna čestica u minutu. Inače, na zemlju, pored kosmičkog zračenja dolaze i čestice poznate kao neutrina. Neki od njih nastaju u nuklearnim procesima u kojima kosmičko zračenje kidajući jezgra proizvodi radioaktivne izotope koji se potom spuštaju na tlo. No, neka neutrina dolaze i direktno iz svemira – to su uglavnom sunčeva neutrina koja, pošto su neutrina, nemaju naelektrisanje i izuzetno su lagana, prolaze ne samo kroz atmosferu nego i kroz koru Zemlje. Ovakva neutrina se ustaljeno ne smatraju za kosmičko zračenje.
Kosmičko zračenje dolazi sa mnogo veće dubine. No, odakle su ovi protoni? Kako su nastali i zašto imaju tako visoke energije? Pun vek nakon otkrića kosmičkog zračenja, u doba kad se u CERN-u protoni ubrzavaju do neslućenih energija, kad ne samo da ih sa lakoćom lovimo u detektorima, nego i kreiramo nekada nepoznate čestice kao što su mioni i pozitroni, i dalje jedva da išta znamo o tome odakle ono dolazi.
LET BALONOM
Kosmičko zračenje je otkriveno pre jednog punog veka, 1912. godine, u seriji hazardnih ogleda koji se mogu čak uporediti sa današnjim podvigom Feliksa Baumgartnera. Austrijski fizičar Viktor Hes (1883–1964) načinio je tokom te i prethodne godine čak deset poletanja balonom do ogromnih visina, kako bi pokušao da odgonetne poreklo misteriozne radijacije koju su tih godina zapazili francuski naučnici. Još od 1896, otkako je otkrivena prirodna radioaktivnost, veliki broj fizičara se posvetio eksperimentima sa ovom misterioznom pojavom.
Fizičare je posebno zbunjivalo sveopšte prisustvo radijacije u okruženju, koje se moglo detektovati i tadašnjim primitivnim instrumentima i koje nije uopšte zavisilo od toga ima li ili nema radioaktivnog izvora. Vršena su merenja čak i na otvorenom moru i pokazalo se da radijacija dopire čak i tamo, mada radioaktivnih izvora nema miljama u okolini. I onda se 1910. nemački fizičar i jezuita Teodor Vulf (1868–1946) popeo čak i na vrh Ajfelovog tornja da izmeri ima li na njegovom vrhu radijacije. Pokazalo se da je na visini od 330 metara i te kako ima i uz to – da je većeg intenziteta. Nakon toga će Vulf čak zaključiti da je ova radijacija verovatno još jača na većim visinama.
Sledeći ovu zamisao, Viktor Hes će započeti svoje eksperimente balonom i popeti se na za to doba ogromne visine. Na nižim visinama Hesovi instrumenti će pokazivati da zračenje opada kako se on penje. Međutim, na oko 1000 metara, Hes će uočiti da se situacija menja i da intenzitet tog zračenja postaje sve jači. I potom još jači. U jednom od svojih deset hrabrih poduhvata, Hes će se popeti do visine od 5000 metara. Instrumenti će mu ovde pokazati da je intenzitet zračenja čak pet puta veći nego na tlu.
Shvativši da to zračenje očigledno dolazi odozgo, Hes će zaključiti da je reč o zračenju koje u atmosferu dolazi iz svemira. Nakon objavljivanja Hesovog rada u žurnalu Austrijske akademije nauka, postaće jasno da Zemlju neprekidno zasipaju neobične čestice visoke energije, ali će ovo otkriće biti i kritikovano. Američki ugledni fizičar Robert Miliken (1868–1953), poznat po eksperimentu kojim je pokazao da je naelektrisanje elektrona negativno, pokušaće da ospori Hesove nalaze, ali će nakon sopstvenih merenja zaključiti da čudnovato zračenje zaista postoji. Miliken će mu 1925. godine i dati naziv „kosmičko zračenje“, koji od tada postaje rasprostranjen.
Kako bi ga što preciznije izmerio, Miliken konstruiše elektrometar čija se očitavanja mogu snimiti na filmu, tako da šalje u visinu bespilotne balone i njima meri intenzitet zračenja. To mu omogućuje da izvrši veliki broj merenja, tako da Miliken čak počinje da tvrdi kako je on zaslužan za samo otkriće. No, eventualna nepravda će biti sasvim otklonjena već 1936. kada Viktor Hes dobija Nobelovu nagradu za otkriće kosmičkog zračenja. Ironijom, Hes dve godine kasnije napušta Austriju, gde zbog narastajućeg nacizma ne može da ostane sa svojom suprugom jevrejskog porekla, tako da se seli u Ameriku.
TRAGOVI U PARI
U međuvremenu, jedan sovjetski naučnik još 1927. dolazi do sasvim novog načina lova na kosmičko zračenje – Dimitrij Skobelcin (1892–1990) eksperimentiše sa mehurastim komorama u kojima, u pari koja samo što nije proključala, posmatra tragove od mehurića koji nastaju pri prolasku elementarnih čestica. On posmatra elektrone i druge čestice, postavljajući temelje onog što će fizičari snimati decenijama potom na deteketorima akceleratora. Međutim, začudna stvar koju primećuje kad uključi magnetno polje u komori jesu tragovi koji gotovo ravno prolaze kroz nju – to su prvi snimljeni tragovi kosmičkog zračenja velike energije.
Vremenom će zahvaljujući kosmičkom zračenju, fizičari otkriti čitav niz čestica koje nastaju u pljusku nakon sudara visokoenergetskih protona – Anderson 1931. otkriva pozitrone, pozitivne antičestice elektronu, a sa godinama se fizika visokih energija sve više razvija, počinju da se snimaju i mioni, koji se najčešće detektuju u sekundarnom pljusku nastalom udarom kosmičkog zračenja u atmosferske atome.
1896. Bekeler otkriva prirodnu radioaktivnost
1910. Teodor Vulf meri snažnu radioaktiovnost
1912. Viktor Hes otkriva kosmičko zračenje
1925. Robert Miliken smišlja naziv kosmičko zračenje
1927. Dimitrij Skobelcin uočava prvi trag kosmičkih zraka
1936. Nobelova nagrada za kosmičko zračenje Viktoru Hesu
2010. Izgradnja IceCube detektora na Antarktiku
Danas se za lov na kosmičko zračenje koristi sijaset detektora, ali svakako je najpoznatiji podzemni IceCube detektor, koji je zakopan ispod leda na Antarktiku, a počeo je sa radom 2010. godine. Ovaj detektor se sastoji od brojnih struna koje su ukopane u led na dubinama od 1500 do 2500 metara. U međuvremenu, ljudi već decenijama koriste ne samo detektore čestice već i veštačke ubrzivače čestica koji tokom 20. veka postaju sve veći i veći, sve do izgradnje LHC-a, na kome se takođe od 2010. dostižu energije uporedive sa kosmičkim zračenjem.
Međutim, glavna tajna kosmičkog zračenja ostaje neodgonetnuta. Odakle ono dolazi? Zašto se javlja u celom univerzumu i može li se snimiti na svakom deliću neba? Koliko je staro? Zašto ima tako visoke energije? Budući da je kosmos ispunjen fotonima svetlosti, prema teorijskom modelu koju su postavili Grejsen, Zacepin i Kuzmin, protoni tako visoke energije ne bi mogli da pređu više od 150 miliona svetlosnih godina, a da ne interaguju sa fotonima. To znači da bi kad stignu na zemlju smeli da imaju energiju od samo 50 miliona teraelektronvolti, ali detektori, kao što je pomenuto, beleže i zračenje od 100 miliona TeVa.
Uz to, poreklo ovih zraka je jedna od najvećih misterija savremene nauke. Nekoliko teorija nema pouzdanu potvrdu, kao što je ideja o velikim udarima gama zraka nastalih u sudarima u međugalaktičkom prostoru. Ona po svemu sudeći nije održiva, pošto detektori kao što je IceCube ne mogu da ulove nijedan neutrino visoke energije koji bi morao da prati takve izlive gama zraka. Pored toga, razmatra se i mogućnost da je najsnažnije kosmičko zračenje poteklo od superteških crnih rupa iz centra galaksije.
Štetne posledice
Da je umesto Kjuriositi rovera, pod svom mogućom zaštitom, na Mars otputovao čovek, teško da bi se živ vratio na Zemlju. Stručnjaci upozoravaju da kada bi astronauti primili takvu dozu zračenja, najmanje jedan od njih desetoro umro bi od raka. Članovi takve posade verovatno bi oboleli od katarakte, a postali bi neplodni ili bi rađali decu sa genetskim poremećajima, zaključuje se u studiji Američke federalne administracije za avijaciju.
Kosmičko zračenje smatra se jednim od ograničavajućih faktora za svemirska putovanja, a naučnici za sada nemaju odgovor na pitanje kako u budućnosti prevazići ovaj problem. Možda bi čovek uz velike mere opreza i zaštite mogao da otputuje na Mars ili Veneru, ali nikako na Jupiter ili Saturn, zaključuju istraživači.
Tokom ekspedicije do Marsa i nazad, koja bi sa jednogodišnjim boravkom na toj planeti trajala ukupno 2,7 godina, čovek bi primio izuzetno visoku dozu zračenja od oko 2,26 siverta. Oko deset odsto muškaraca i 17 odsto žena starosti između 25 i 34 godine koji bi učestvovali u takvoj misiji, kasnije u životu oboleli bi od raka.
No, šta je sa putovanjem avionom? Na visini od deset kilometara iznad Zemlje, na kojoj leti većina aviona, nivoi kosmičkog zračenja su oko 150 puta veći u odnosu na površinu planete. Još su viši kako se približavamo polovima. Neka istraživanja pokazala su da takve doze mogu biti opasne po čovekovo zdravlje, naročito kod pilota i ostale posade aviona, kao i osoba koje često lete. Pre nekoliko godina, ova tema je na sasvim neobičan način došla u žižu, zahvaljujući velikom broju časopisa, uključujući i tabloide: manekenka Eli Mekfirson je tokom jednog leta svoju bebu pokušala da zaštiti od kosmičkog zračenja tako što ju je držala u kolevci koja je obložena olovom.
Neke studije sugerišu da čak ni ljudi koji redovno putuju nisu u povećanom riziku, ali, s druge strane, istraživanja sprovedena na manjim grupama su potvrdila da članice posade aviona imaju duplo veći rizik (u odnosu na opštu populaciju) da obole od raka dojke, i oko 15 puta veću šansu da obole od raka kože.
Novija, veća studija koja je obuhvatila oko 44.000 evropskih pilota i avionskog osoblja, potvrdila je, međutim, da među njima stopa obolevanja od raka nije veća u odnosu na opštu populaciju. Istraživači su ipak otkrili povećanu stopu obolevanja od raka kože kod muškaraca, ali su zaključili da je verovatnije da je on posledica previše sunčanja, pošto piloti, kako su naveli, mnogo češće idu na odmore i izloženiji su suncu, pošto su im putovanja besplatna.
International Journal of Cancer objavio je rezultate nešto manje studije u kojoj su ispitivani samo piloti, njih 28.000. Ova studija potvrdila je da ljudi koji se bave tom profesijom nisu u povećanom riziku.
Neki opšteprihvaćeni zaključak, mada ni njega ove studije nisu uspele da dokažu, jeste da ljudi koji godišnje tokom tri decenije provode po više od 750 sati na ovim visinama, imaju oko deset odsto više šanse da dobiju kancer. Iz predostrožnosti, istraživači ipak preporučuju da trudnice ne bi trebalo da provode toliko vremena u avionu. Oni, na kraju, naglašavaju i da su svi ljudi koji su učestvovali u istraživanjima, još vrlo mladi i da ne postoji način da se predvidi da li će oni možda u starosti obolevati od raka u povećanoj stopi.