Κοσμικές Ακτίνες και Γη

Οι κοσμικές ακτίνες στην πορεία τους προς την Γη συναντούν το γήινο μαγνητικό πεδίο και αν τα καταφέρουν φθάνουν στην ατμόσφαιρα. Το μαγνητικό πεδίο οφείλει το σχήμα του σε ηλεκτρικά ρεύματα στον πυρήνα της Γης και στον ηλιακό άνεμο. Οι κοσμικές ακτίνες καθώς εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο διαγράφουν περίπλοκες τροχιές και ίσως να μην εισέλθουν καν στην ατμόσφαιρα αν οι ενέργειές τους είναι πολύ χαμηλές. Αυτό το φιλτράρισμα που κάνει η μαγνητόσφαιρα μας δίνει την δυνατότητα, χρησιμοποιώντας τους μετρητές νετρονίων σε διαφορετικές τοποθεσίες, να παίρνουμε το φάσμα και τις διευθύνσεις άφιξης των κοσμικών ακτίνων.

Όταν οι κοσμικές ακτίνες εισέλθουν στην ατμόσφαιρα της Γης, συναντούν άτομα και μόρια, κυρίως αζώτου και οξυγόνου. Από αυτές τις συγκρούσεις προκύπτουν δευτερογενή σωματίδια διαφορετικής ενέργειας. Μερικά από αυτά μπορεί να φθάσουν στο έδαφος, όπου μπορούν να καταγραφούν και κάποιος να βγάλει συμπεράσματα για τις ιδιότητες των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων. Οι μετρητές νετρονίων είναι ένας τύπος ανιχνευτών που χρησιμοποιεί αυτή την τεχνική.

Κοσμικές Ακτίνες και Μαγνητόσφαιρα

Η Μαγνητόσφαιρα της Γης

Η Γη έχει ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα ηλεκτρικά ρεύματα που αναπτύσσονται στον πυρήνα της. Αν η Γη βρισκόταν στο κενό, το μαγνητικό πεδίο στο εξωτερικό της θα ήταν παρόμοιο με αυτό που σχηματίζεται από έναν μαγνήτη, ένα δίπολο μετατοπισμένο ως προς το κέντρο της Γης και με κλίση ως προς τον άξονα περιστροφής της. Αυτή είναι, πραγματικά, η εικόνα του μαγνητικού πεδίου σε μια απόσταση περίπου 5 ακτίνες Γης από το κέντρο. Όμως η Γη είναι εκτεθειμένη σε μια συνεχή ροή των φορτισμένων σωματιδίων του ηλιακού ανέμου. Αυτή η ροή συμπιέζει τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου από την πλευρά της Γης που κοιτάει προς τον Ήλιο και τις αναγκάζει να δημιουργήσουν μια μαγνητοουρά που εκτείνεται και στην άλλη πλευρά της Γης. Οι δυναμικές γραμμές είναι οι παχιές μπλε γραμμές που φαίνονται στο
σχήμα. Σχηματίζουν ένα σχεδόν κλειστό σύστημα γύρω από το οποίο ρέει ο ηλιακός άνεμος, όπως υποδεικνύουν οι λεπτές γραμμές. Η κοιλότητα που σχηματίζει με αυτό τον τρόπο το γήινο μαγνητικό πεδίο λέγεται μαγνητόσφαιρα (σημειώστε ότι η κλίση του διπόλου της Γης δεν φαίνεται στο σχήμα).

Το όριο της μαγνητόσφαιρας στην προς τον Ήλιο πλευρά της Γης βρίσκεται σε μια απόσταση 10 – 12 ακτίνες Γης ως προς το κέντρο της, ενώ η ουρά της μαγνητόσφαιρας εκτείνεται 100 ακτίνες Γης τουλάχιστον στην αντίθετη κατεύθυνση, σαν ένας κύλινδρος διαμέτρου 60 ακτίνες Γης. Αυτή η διαμόρφωση οφείλεται στην ροή του ηλιακού ανέμου. Η ημερήσια περιστροφή της Γης είναι τέτοια ώστε το μεσημέρι να είναι από πάνω μας εκείνο το τμήμα της μαγνητόσφαιρας που βλέπει προς τον Ήλιο, ενώ τα μεσάνυχτα η μαγνητοουρά. Αφού ο άξονας του διπόλου της Γης παρουσιάζει κλίση σε σχέση με τον άξονα περιστροφής της, το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται με έναν περίπλοκο τρόπο σε ορισμένα γεωγραφικά σημεία ακόμα και αν οι συνθήκες στον ηλιακό άνεμο παραμένουν σταθερές. Ο μεταβλητός ηλιακός άνεμος εισάγει περαιτέρω μεταβολές, όπως θα αναφερθεί παρακάτω.

Φορτισμένα σωματίδια και μαγνητικά πεδία

Το μαγνητικό πεδίο αναγκάζει ένα φορτισμένο σωματίδιο να παρεκκλίνει της πορείας του. Η μαγνητική δύναμη είναι κάθετη και στις δυναμικές γραμμές και στην ταχύτητα του σωματιδίου. Έτσι για μια ευθεία δυναμική γραμμή του πεδίου και ένα φορτισμένο σωματίδιο που κινείται κατά μήκος της γραμμής δεν θα ασκηθεί δύναμη.
Αλλά αν το σωματίδιο κινείται σε ένα επίπεδο κάθετο προς την δυναμική γραμμή θα αναγκαστεί να διαγράψει μια κυκλική τροχιά. Στην γενική περίπτωση που το πρωτόνιο έχει μια κίνηση και παράλληλα και κάθετη προς την δυναμική γραμμή η τροχιά του θα είναι ο συνδυασμός μιας κίνησης κατά μήκος της δυναμικής γραμμής και μιας κυκλικής κίνησης κάθετης σ’ αυτήν. Αυτή είναι μια ελικοειδής τροχιά.

Στο σχήμα φαίνεται η τροχιά ενός πρωτονίου γύρω από μια δυναμική γραμμή του πεδίου. Η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς εξαρτάται από το μαγνητικό πεδίο και την ενέργεια του σωματιδίου: όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο και χαμηλότερη η ενέργεια του σωματιδίου τόσο μικρότερη είναι και η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς. Αν το μαγνητικό πεδίο είναι ασθενές ή η ενέργεια του σωματιδίου πολύ υψηλή, το σωματίδιο θα αγνοήσει το μαγνητικό πεδίο και θα κινηθεί κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής. Τα ηλεκτρόνια επίσης υπόκεινται σε μαγνητικές δυνάμεις αλλά λόγω του αρνητικού τους φορτίου περιστρέφονται αντίστροφα απ’ ότι τα πρωτόνια. Επίσης λόγω της μικρότερης μάζας τους η ακτίνα της τροχιάς τους είναι μικρότερη συγκριτικά με το πρωτόνιο.

Για μια μαθηματική περιγραφή κοίταξε εδώ. Αν θες να δεις πως τα μαγνητικά πεδία διαμορφώνουν τις τροχιές φορτισμένων σωματιδίων προσπάθησε να παίξεις bowling.

Φορτισμένα σωματίδια και γήινη μαγνητόσφαιρα

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ανωτέρω συλλογισμό για να κατανοήσουμε πως οι κοσμικές ακτίνες συμπεριφέρονται όταν προσεγγίζουν την γήινη μαγνητόσφαιρα. Αυτό το σχήμα δείχνει τη Γη όπως φαίνεται σε έναν παρατηρητή πάνω από το Βόρειο Πόλο. Δεν θα λάβουμε υπόψη τις ιδιαιτερότητες του μαγνητικού πεδίου της Γης για μια πρώτη προσέγγιση του πως οι κοσμικές ακτίνες επηρεάζονται από αυτό. Σε αυτό το σχήμα το μαγνητικό πεδίο, όπως συμβολίζεται με τους μπλε κύκλους, δείχνει έξω από το επίπεδο του σχήματος προς τον παρατηρητή. Υποθέτουμε, για να είναι ο συλλογισμός πιο απλός, ότι το σωματίδιο των κοσμικών ακτίνων ταξιδεύει στο κενό χωρίς την ύπαρξη μαγνητικών πεδίων έως ότου συναντήσει την μαγνητόσφαιρα σε μια απόσταση από την Γη. Βεβαίως υπάρχει μαγνητικό πεδίο στον διαπλανητικό χώρο, αλλά είναι αρκετά πιο ασθενές απ’ ότι στην μαγνητόσφαιρα και δεν χρειάζεται να το υπολογίσουμε.

Υπάρχουν τρεις πιθανές τροχιές ανάλογα με την ενέργεια του εισερχόμενου σωματιδίου:

• Αν το εισερχόμενο πρωτόνιο έχει πολύ υψηλή ενέργεια θα ταξιδέψει κατά μήκος μιας σχεδόν ευθείας γραμμής μέχρι την ατμόσφαιρα
• Αν έχει πολύ χαμηλή ενέργεια (E< E0), η τροχιά του θα καμφθεί από το μαγνητικό πεδίο και θα γίνει ημικυκλική με τόσο μικρή ακτίνα ώστε το πρωτόνιο δεν θα φτάσει τελικά στην ατμόσφαιρα. Θα κάνει μισή τροχιά γύρω από την δυναμική γραμμή και θα ξαναβρεθεί εκτός μαγνητόσφαιρας. Αυτό σημαίνει ότι θα ανακλαστεί πίσω στον διαπλανητικό χώρο
• Σωματίδια με ενδιάμεσες ενέργειες φτάνουν στην ατμόσφαιρα κατά μήκος μιας καμπύλης τροχιάς. Η καμπύλη είναι πιο έντονη όσο χαμηλότερη είναι η ενέργεια- εώς το γεωμαγνητικό κατώφλι E0όπου κανένα σωματίδιο δεν μπορεί να εισέλθει στην ατμόσφαιρα.

Αυτό που πραγματικά συμβαίνει εξαρτάται από το πλάτος και την κλίση υπό την οποία η κοσμική ακτίνα συναντά την μαγνητόσφαιρα: γύρω από τους πόλους είναι μια μικρή περιοχή όπου οι δυναμικές γραμμές είναι λίγο πολύ ακτινωτές. Αν το σωματίδιο εισέλθει εκεί θα έχει ανεμπόδιστη πρόσβαση στην ατμόσφαιρα. Αν συναντήσει την μαγνητόσφαιρα στο επίπεδο του ισημερινού, χτυπάει το μαγνητικό πεδίο εκεί που η θωράκιση του είναι πιο αποτελεσματική και η ενέργεια κατωφλίου E0 πιο υψηλή. Σωματίδια με ενέργειες λίγο πιο πάνω από το κατώφλι μπορεί να έχουν μια αρκετά περίπλοκη τροχιά πριν φτάσουν στην ατμόσφαιρα. Το σχήμα (MAGNETOCOSMICS code, L. Desorgher, Univ. Bern) δείχνει ηλεκτρονικά υπολογισμένες τροχιές για διαφορετικές ενέργειες, μειούμενες για τις τροχιές (1) έως (5). Η τελευταία καμπύλη δείχνει την περίπλοκη μαγνητοσφαιρική τροχιά σωματιδίων με ενέργειες κοντά στο κατώφλι.

Οι περίπλοκες τροχιές σωματιδίων στην μαγνητόσφαιρα πρέπει να ληφθούν υπόψη στην ερμηνεία των μετρήσεων των φορτισμένων σωματιδίων από τη Γη: όργανα, όπως μετρητές νετρονίων, καταμετρούν όλα τα σωματίδια με ενέργειες πάνω από το κατώφλι E0 όπως καθορίζει η θέση τους και η κατάσταση του γεωμαγνητικού πεδίου.
Πιο σημαντικά είναι αυτά τα σωματίδια που φτάνουν στο όριο της ατμόσφαιρας κάθετα. Σωματίδια που φθάνουν υπό γωνία παράγουν λιγότερα δευτερογενή σωματίδια που μπορούν να ανιχνευθούν στο έδαφος, επειδή διανύουν μεγαλύτερη απόσταση μέσα στην ατμόσφαιρα και απορροφώνται πιο έντονα. Το σχήμα δείχνει ότι οι διευθύνσεις άφιξης των σωματιδίων έξω από την μαγνητόσφαιρα σε συγκεκριμένο σημείο στο όριο της ατμόσφαιρας εξαρτώνται από την ενέργειά τους: όσο πιο μικρή είναι η ενέργεια τόσο πιο μακριά από την ακτινική διεύθυνση είναι η διεύθυνση άφιξης. Στο επίπεδο του ισημερινού τα σωματίδια εισέρχονται από πιο ανατολικές διευθύνσεις όσο η ενέργεια μειώνεται. Μια πιο λεπτομερής ανάλυση για τις διευθύνσεις άφιξης δίνεται εδώ.

Το παρακάτω διάγραμμα χαρτογραφεί τις ενέργειες κατωφλίου, όπως αυτές έχουν υπολογισθεί σε πραγματικό χρόνο στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης. Με κόκκινο χρώμα είναι σημειωμένες οι περιοχές εκείνες στις οποίες πρωτόνια με ενέργειες χαμηλότερες από 125 MeV μπορούν να εισέλθουν στην ατμόσφαιρα (20χλμ πάνω από την επιφάνεια τη Γης), ενώ για να γίνει κάτι τέτοιο σε περιοχές του ισημερινού πάνω από την Νότια Ασία, η ενέργεια που απαιτείται είναι μεγαλύτερη των 15 GeV (σημειώνεται στο διάγραμμα με πράσινο χρώμα μέσα στην κλειστή γραμμή). Το γεγονός ότι οι γραμμές που αντιστοιχούν σε ίσες ενέργειες κατωφλίου εμφανίζονται καμπυλωμένες οφείλεται στο γεγονός ότι ο άξονας του γήινου μαγνητικού πεδίου παρουσιάζει κλίση σε σχέση με τον άξονα περιστροφής της Γης. Σε γενικές γραμμές παρατηρεί κανείς ότι όσο πιο κοντά βρισκόμαστε στον μαγνητικό ισημερινό τόσο υψηλότερη είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να μπορέσουν να φτάσουν οι κοσμικές ακτίνες στην ατμόσφαιρα. Οι ενέργειες κατωφλίου είναι υψηλότερες μέσα στην κλειστή γραμμή πάνω από την Νότια Ασία γιατί το δίπολο της Γης βρίσκεται λίγο έξω από το κέντρο της Γης πιο κοντά στην Νότια Ασία απ’ ότι στην περιοχή που βρίσκεται συμμετρικά στην άλλη πλευρά της Γης, δηλαδή πάνω από τον Ατλαντικό ωκεανό. Επομένως η γήινη μαγνητόσφαιρα επηρεάζει με δυο τρόπους τις παρατηρήσεις των μετρητών νετρονίων:

• την ελάχιστη ενέργεια κατωφλίου,
• τις ασυμπτωτικές διευθύνσεις άφιξης των εισερχoμένων σωματιδίων.

Και οι δυο τρόποι εξαρτώνται από την γεωγραφική θέση των μετρητών νετρονίων. Συνδυάζοντας παρατηρήσεις από διαφορετικούς μετρητές νετρονίων πάνω στη Γη μπορούμε να συλλέξουμε πληροφορίες σχετικά με το ενεργειακό φάσμα των κοσμικών ακτίνων και με την διεύθυνση διάδοσή τους στο διάστημα πριν εισέλθουν στη γήινη μαγνητόσφαιρα.

Μεταβολές της μαγνητόσφαιρας

Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, ο ηλιακός άνεμος δεν παρουσιάζει μια στατική ροή, αλλά έχει μια γρήγορη και μια αργή συνιστώσα και επιπρόσθετες διαταραχές που προέρχονται από στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας. Όλες αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν την μαγνητόσφαιρα της Γης αφού μεταβάλλουν την πίεση που ασκεί ο ηλιακός άνεμος στο μαγνητικό πεδίο της. Το όριο της μαγνητόσφαιρας από την πλευρά του Ήλιου απέχει περίπου 10 ακτίνες Γης από την επιφάνεια της Γης σε ήσυχες περιόδους, ενώ μπορεί να φθάσει μέχρι και τις 6 ακτίνες Γης όταν η μαγνητόσφαιρα επηρεάζεται από ένα ισχυρό διαπλανητικό γεγονός. Το ασθενές διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι εν γένει διακριτό σε σχέση με αυτό της Γης, μπορεί κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις να επανασυνδεθεί με το μαγνητικό πεδίο της Γης, καθώς σωματίδια του ηλιακού ανέμου εισχωρούν μέσα στην μαγνητόσφαιρα. Οι μεταβολές του ηλιακού ανέμου επηρεάζουν επομένως την διαμόρφωση της μαγνητόσφαιρας καθώς επίσης και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες οι κοσμικές ακτίνες εισέρχονται στην ατμόσφαιρα.

Κοσμικές ακτίνες και ατμόσφαιρα

Όταν ένα κοσμικό σωματίδιο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης συναντά όλο και περισσότερα άτομα και μόρια κυρίως αζώτου και οξυγόνου. Αργά η γρήγορα θα συγκρουστεί με κάποιο από αυτά. Μπορεί να αλληλεπιδράσει τόσο με το ηλεκτρονιακό νέφος (το οποίο έχει διάμετρο 10^-10 m ανά άτομο) ή/και με τον πολύ μικρότερο πυρήνα (με διάμετρο 10^-14 m).

Εξαιτίας του διαφορετικού μεγέθους και της διαφορετικής εμβέλειας των αλληλεπιδράσεων οι πιο συχνές συγκρούσεις αφορούν στο ηλεκτρονιακό νέφος. Το ηλεκτρικό πεδίο των κοσμικών ακτίνων αποσπά τα ηλεκτρόνια και έτσι το άτομο ιονίζεται. Δεδομένου ότι οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις δρουν σε μεγάλες αποστάσεις ο ιονισμός είναι πολύ συχνός αλλά η απώλεια ενέργειας των εισερχόμενων πρωτονίων σε μια μεμονωμένη αλληλεπίδραση είναι μικρή και δεν παίζει ρόλο στα υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας.

Επίδραση των νουκλεονίων υψηλής ενέργειας σε ατομικούς πυρήνες

Οι αλληλεπιδράσεις με τους ατομικούς πυρήνες δημιουργούν μια πληθώρα φαινομένων και σωματιδίων τα οποία ανακαλύφθηκαν μέσω της μελέτης των κοσμικών ακτίνων και μπορούν πλέον να παραχθούν σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων. Οι πυρηνικές αλληλεπιδράσεις έχουν πολύ μικρή εμβέλεια συγκρινόμενη με το μέγεθος του πυρήνα και είναι λιγότερο συχνές από τον ιονισμό. Επηρεάζουν όμως αισθητά τα εισερχόμενα σωματίδια και καταστρέφουν τον πυρήνα – στόχο (compound nucleus).

Ένας ωραίος τρόπος να οπτικοποιήσουμε τις αλληλεπιδράσεις είναι να παρατηρήσουμε τα ίχνη των φορτισμένων σωματιδίων μέσα σε ένα ειδικό τύπο φωτογραφικού γαλακτώματος. Το ιονισμένο σωματίδιο διεγείρει τα μόρια του βρωμιιούχου αργύρου που συναντά στο δρόμο του. Μετά την εμφάνιση της φωτογραφικής πλάκας είναι δυνατόν να διακρίνουμε την τροχιά του σωματιδίου. Η εικόνα αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα (E. Fermi, Nuclear Physics, Fig. X.4a, University of Chicago Press 1950). Παρατηρούμε ότι από ένα σημείο, το οποίο είναι ο πυρήνας στόχος, ξεκινούν διαφορετικά ίχνη. Σε αυτή την περίπτωση το πρωτογενές νουκλεόνιο ήταν ένα πρωτόνιο με ενέργεια περίπου 5 GeV το οποίο ταξίδευε με ταχύτητα 98% της ταχύτητας του φωτός. Η τροχιά του είναι η κάθετη γραμμή στο πάνω μισό της εικόνας και σημειώνεται με το γράμμα Α. Οι λεπτές γραμμές που ξεκινάνε από τον πυρήνα - στόχο και πηγαίνουν προς τα κάτω είναι τροχιές σωματιδίων τα οποία βρίσκονται μέσα σε ένα στενό κώνο γύρω από την διεύθυνση του προσπίπτοντος πρωτονίου υψηλής ενέργειας. Οι τροχιές αυτές δημιουργούνται από πιόνια και πρωτόνια υψηλής ενέργειας που προέρχονται από τον πυρήνα - στόχο. Εφόσον είναι πολύ γρήγορα και οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων του βρωμιούχου αργύρου είναι μεγάλες τα ίχνη στην εικόνα είναι αχνά. Οι τρεις έντονες μαύρες γραμμές είναι οι τροχιές των πιο αργών πρωτονίων τα οποία εκπέμπονται προς κάθε κατεύθυνση.

Από αυτό το μοντέλο προκύπτουν δυο τύποι αλληλεπίδρασης:

• Εάν η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου είναι αρκετά υψηλή, τότε συγκρούεται με 1 ή 2 νουκλεόνια του πυρήνα - στόχου. Η σύγκρουση είναι δυνατόν να οδηγήσει στην άμεση απόσπαση του νουκλεονίου (Knock-on nucleons) ή να οδηγήσει στην δημιουργία ενός άλλου ενεργητικού σωματιδίου, του πιονίου. Αυτά τα σωματίδια φεύγουν από τον πυρήνα με ενέργειες που μπορεί να φτάσουν και την ενέργεια του εισερχόμενου σωματιδίου. Εάν η σύγκρουση συμβεί κοντά στα “σύνορα” του πυρήνα και αν τα σωματίδια είναι αρκετά ενεργητικά, μπορούν να αποσπάσουν περισσότερα νουκλεόνια: στο εσωτερικό του πυρήνα δημιουργείται ένας μικρός καταιγισμός. Αυτά τα σωματίδια κινούνται αναγκαστικά στην ίδια διεύθυνση με το αρχικό υψηλής ενέργεια σωματίδιο (διατήρηση της ορμής). Όλα αυτά συμβαίνουν πολύ γρήγορα, σε χρονικό διάστημα συγκρίσιμο με την χρόνο κίνησης του εισερχόμενου σωματιδίου μέσα στον πυρήνα (για διάμετρο πυρήνα, 10^-14 m, και ταχύτητα περίπου 3x10⁸ m/s, ο χρόνος αυτός είναι λιγότερο από 10^-22 s), και ονομάζεται ‘φάση καταιγισμού της αλληλεπίδρασης’.
• Το αρχικό νουκλεόνιο των κοσμικών ακτίνων ή τα θραύσματα του που παραμένουν μέσα στον πυρήνα εξακολουθούν να έχουν ενέργεια μετά την αρχική σύγκρουση, την οποία μοιράζονται με τα συστατικά του υπόλοιπου πυρήνα. Ο πυρήνας - στόχος βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Αποδιεγείρεται μετά από 10^-16 s (το οποίο είναι ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από το χρόνο που χρειάζεται για να αποσπάσει σωματίδια κατά την διάρκεια της φάσης καταιγισμού) εκπέμποντας ακτίνες γ (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) ή άλλα νουκλεόνια. Η καθυστερημένη εκπομπή σωματιδίου οφείλεται στο γεγονός ότι αρχικά τα στοιχεία του εναπομείναντος πυρήνα δεν έχουν το καθένα ξεχωριστά αρκετή ενέργεια ώστε να διαφύγουν. Ανταλλάσσουν συνεχώς ενέργεια μεταξύ τους κατά τον ίδιο τρόπο που τα μόρια σε ένα αέριο ή θερμό υγρό ανταλλάσσουν ενέργεια μέσω των συγκρούσεων τους. Κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας είναι δυνατόν κάποιο σωματίδιο να αποκτήσει αρκετή ενέργεια ώστε να διαφύγει. Τότε λέμε ότι αυτός ο ελαφρύς πυρήνας ή το νουκλεόνιο “εξατμίστηκε”. Νουκλεόνια που διαφεύγουν από τον πυρήνα με αυτόν τον τρόπο μπορούν να ακολουθήσουν οποιαδήποτε κατεύθυνση και έχουν ως επί το πλείστον ενέργειες μερικών MeV. Αυτό το δεύτερο στάδιο της πυρηνικής αλληλεπίδρασης καλείται ‘φάση αποδιέγερσης ή εξάτμισης’.

Καταιγισμός κοσμικών ακτίνων μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης

Καθώς το προσπίπτον σωματίδιο κοσμικών ακτίνων συγκρούεται με ένα άτομο ή μόριο του αέρα παράγει πλήθος από δευτερογενή σωματίδια. Εάν πρόκειταιγια βαρύ ιόν θα διασπαστεί σε ελαφρύτερους πυρήνες, πρωτόνια ή νετρόνια. Όλα αυτά τα σωματίδια συνεχίζουν να κινούνται προς τα κάτω και μπορούν να αντιδράσουν με άλλα μόρια του αέρα εάν έχουν αρκετή ενέργεια. Αυτό συνιστά έναν καταιγισμό κοσμικών ακτίνων. Όσο πιο βαθιά διεισδύει το σωματίδιο στην ατμόσφαιρα, τόσο περισσότερη ενέργεια χάνει. Η πρωτογενής κοσμική ακτίνα πρέπει να έχει ενέργεια τουλάχιστον 450 MeV ώστε να παράγει έναν ικανοποιητικό αριθμό δευτερογενών σωματιδίων, που μπορούν να φτάσουν στο επίπεδο της θάλασσας. Η ανίχνευση πρωτογενούς κοσμικής ακτίνας χαμηλής ενέργειας είναι δυνατή μόνο σε ψηλά βουνά ή με την χρήση αεροπλάνων, αερόστατων ή διαστημοπλοίων.

Ένας τυπικός καταιγισμός κοσμικών ακτίνων φαίνεται στο σχήμα. Η σχηματική αναπαράσταση του καταιγισμού είναι από τον Simpson et al. (1953, Phys. Review 90, 934). Στην συνέχεια εξετάζονται οι διάφορες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα από την άφιξη των κοσμικών ακτίνων έως και την παραγωγή των τελικών προϊόντων στο έδαφος.

• Μεταξύ των σωματιδίων που παράγονται από την σύγκρουση των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων είναι φορτισμένα (π±) και ουδέτερα πιόνια (π0) δηλαδή σωματίδια με μάζα μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου. Αυτά τα σωματίδια είναι ασταθή: τα ουδέτερα πιόνια δίνουν τελικά ακτίνες γ – φωτόνια, τα οποία παράγουν ζεύγη ηλεκτρονίων - ποζιτρονίων, ενώ τα φορτισμένα πιόνια δίνουν μιόνια, τα οποία επίσης μπορούν να παράγουν ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Μερικά μιόνια υφίστανται πυρηνικές αλληλεπιδράσεις και δίνουν νετρόνια.
• • Μια άλλη σειρά αντιδράσεων παράγει γρήγορα νουκλεόνια, νετρόνια (n) και πρωτόνια (p), με ένα ευρύ ενεργειακό φάσμα, το οποίο μπορεί να φτάσει και την ενέργεια του προσπίπτοντος νουκλεόνιου
  Εάν είναι αρκετά ενεργητικά μπορούν αν αλληλεπιδράσουν με άλλους πυρήνες στην ατμόσφαιρα. Σε κάθε αντίδραση παράγονται επίσης νουκλεόνια «εξάτμισης», τόσο νετρόνια (n) όσο και πρωτόνια (p) (τα μικρά γράμματα υποδηλώνουν ότι έχουν σχετικά χαμηλές ενέργειες) με ενέργειες μερικών MeV.

Όλα τα σωματίδια που παράγονται κατά τη διάρκεια του καταιγισμού αλληλεπιδρούν, άλλα λιγότερο και άλλα περισσότερο έντονα, με την ατμόσφαιρα. Τα μιόνια είναι τα πιο απίθανα να αλληλεπιδράσουν και γι’ αυτό αποτελούν την συνιστώσα της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας που βρίσκεται σε μεγαλύτερη αφθονία στο επίπεδο της θάλασσας. Πρωτόνια και νετρόνια που έχουν «εξατμιστεί» συγκρούονται με πυρήνες στον αέρα και χάνουν την ενέργεια τους. Τα πρωτόνια χάνουν επίσης ενέργεια λόγω ιονισμού, όταν δηλαδή απομακρύνουν ηλεκτρόνια από τα άτομα της ατμόσφαιρας, ενώ τα νετρόνια δεν μπορούν αν ιονίσουν. Επομένως τα πρωτόνια χάνουν περισσότερη ενέργεια στην ατμόσφαιρα σε σχέση με τα νετρόνια και για ενέργειες κάτω των 2 GeV βρίσκονται σε λιγότερη αφθονία στο επίπεδο της θάλασσας από ότι τα νετρόνια.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και τα ηλεκτρόνια είναι η τρίτη συνιστώσα των κοσμικών ακτίνων που μπορεί να παρατηρηθεί από το έδαφος.

Οι επίγειοι ανιχνευτές κοσμικών ακτίνων μπορούν να χωριστούν σε υποκατηγορίες ανάλογα με την συνιστώσα που καταμετρούν: νουκλεονική (πρωτόνια και νετρόνια), μεσονική (μιόνια) και ηλεκτρομαγνητική (φωτόνια, ηλεκτρόνια, κτλ) συνιστώσα. Οι μετρητές νετρονίων ανιχνεύουν την νουκλεονική συνιστώσα π.χ n και p μέσω της παραγωγής περαιτέρω νετρονίων. Τα νουκλεόνια εξάτμισης, n και p, που παράγονται στην ατμόσφαιρα γύρω από τον μετρητή νετρονίων δεν καταγράφονται από τον ανιχνευτή.