mini|360px|Kozmički fluks naspram energije čestica Kozmičko zračenje je emisija visokoenergetskih protona i atomskih jezgara koji se kreću kroz svemir gotovo brzinom svjetlosti. Potiču od Sunca, izvan Sunčevog sistema u njegovoj , udaljenim galaksijama. Otkrio ih je Victor Hess 1912., u eksperimentima s balonima. Direktno mjerenje kozmičkih zraka, posebno pri nižim energijama, postalo je moguće od lansiranja prvih satelita, krajem 1950-ih. Detektori čestica, slični onima koji se koriste u nuklearnoj i fizici visokih energija, koriste se na satelitima i svemirskim sondama za istraživanje kozmičkih zraka. Nakon udara na Zemljinu atmosferu, kosmičke zrake mogu proizvesti pljuskove sekundarnih čestica koje ponekad dođu do Zemljine površine. Podaci iz Fermi svemirskog teleskopa (2013) protumačeni su kao dokaz da značajan dio primarnih kozmičkih zraka potječe od eksplozija zvijezda supernova.Aktivna galaktička jezgra također proizvode kosmičke zrake, na osnovu zapažanja neutrino i gama-zraka iz blazara TXS 0506 + 056 u 2018.
Izrazito brzi razvoj tehnike i instrumenata nakon Drugog svjetskog rata (usavršeni detektori, radio teleskopi, baloni i sateliti, elektronski uređaji) omogućio je daljnje istraživanje kozmičkog zračenja. Pritom su se prvenstveno proučavali uvjeti stvaranja primarnog zračenja tako visoke energije i visokoenergetski subatomski procesi, od kojih su mnogi prvi put opaženi upravo kod kozmičkog zračenja. Međutim, podrijetlo kozmičkog zračenja nije do danas potpuno razjašnjeno.
Kozmičko zračenje može biti primarno i sekundarno. Primarno zračenje, koje dolazi iz svemira do Zemljine atmosfere, sastoji se od atomskih jezgara. Većinu (oko 90%) čine protoni, zatim (oko 10%) helijeva jezgra, a tek neznatan dio ostale lake atomske jezgre elemenata do, uključivo, željeza. Energija primarnog zračenja doseže i do 1018 eV. Sekundarno kozmičko zračenje nastaje sudarom primarnog zračenja s jezgrama koje se nalaze u atmosferi. Takvim sudarima stvaraju se mezoni, hiperoni i različite nuklearne čestice, pa i radioizotopi elemenata, na primjer ugljikov radioizotop 14C, nastao od dušika14N. Nabijeni π-mezoni pretvaraju se u stabilnije μ-mezone, koji čine glavninu sekundarnog zračenja na Zemljinoj površini. Neutralni π-mezoni pretvaraju se u γ-zrake, koje mogu dalje proizvesti parove elektron–pozitrona, a ovi opet stvaraju nove visokoenergetske fotone, koji su izvor daljnjih parova elektron-pozitrona. Tako nastaju kaskadne reakcije, koje su izvor takozvanih pljuskova kozmičkih zraka, koje je prvi opisao talijanski fizičar Bruno Rossi.
Objašnjenje Ako se negdje izvan zgrade, na otvorenom prostoru, nalazi nabijeni elektroskop, nakon izvjesnog vremena će se sam od sebe isprazniti. Čak i onda kada se nabijeni elektroskop stavi u posudu od olova, on će se poslije nekog vremena sam od sebe isprazniti. Po tome se zaključuje da ionizaciju zraka, zbog koje se elektroskop isprazni, izazivaju neke vrlo prodorne zrake koje potječu iz svemira (kozmosa), pa se po tome nazivaju kozmičkim zrakama. Da bi se utvrdilo porijeklo tih zraka, vršeni su ekspertimenti u moru, zraku i na kopnu. Pokusi su pokazali da je ionizacija zraka to veća što je veća nadmorska visina iznad površine Zemlje. To je bila potvrda da te zrake potječu iz svemira. Ustanovilo se da jačina kozmičkih zraka na površini Zemlje ovisi o zemljopisnoj širini, da je količina tih zraka najmanja na ekvatoru i da raste prema većim zemljopisnim širinama (prema polovima Zemlje, Sjevernom i Južnom polu). To se tumači utjecajem geomagnetskog polja na električno nabijene čestice kozmičkog zračenja. Ispitivanjem tih zraka se ustanovilo da u njima ima pozitivno i negativno nabijenih čestica i da su one materijalne zrake, to jest da su sastavljene od sitnih čestica koje nose električni naboj.
Danas se pretpostavlja da kozmičke zrake nastaju pri velikim promjenama elektromagnetskih polja Sunca i zvijezda kao posljedica snažnih erupcija. Tako jaka polja daju električno nabijenim česticama koje se stvaraju kod erupcija, brzine, približno jednake brzini svjetlosti, pa čestice odu u svemir. Energija kozmičkih zraka dostiže do 1016 eV. Zbog te energije kozmičke zrake imaju veliku prodornost.
Pozitivne čestice u kozmičkim zrakama su pozitroni. Kad elektroni i pozitroni u kozmičkim zrakama prolaze kroz prostor, razbijaju atomsku jezgru materije kojom je prostor ispunjen. Kod svakog sudara dolazi do emisije gama-zraka. Gama-zrake šire se dalje u prostor, a kod sudara s atomskom jezgrom nastaje jedan par elektron–pozitron. Naime, u kozmičkim zrakama nalaze se fotoni velike energije h∙ν. Energija fotona pretvara se u masu mp pozitrona i masu me elektrona, te je:
gdje je mp = me.
Kod prodora kozmičkih zraka kroz olovo utvrđeno je da u njima postoje čestice čija je masa veća od mase elektrona, a manja od mase protona. To su mezoni.
Kozmičke čestice Kozmičke zrake su energetske električki nabijene subatomske čestice, koje dolaze iz vanjskog svemira i sudaraju se sa Zemljinom atmosferom. One mogu stvoriti sekundarne čestice (spalacija) koje mogu proći Zemljinu površinu, pa i dublje. Kozmičke zrake su iste čestice koje se kao stabilni dijelovi atoma, mogu pronaći na Zemlji: protoni, atomskog jezgra ili elektroni. To su slične čestice koje kruže unutar akceleratora čestica, s tom razlikom da su energije kozsmičkih zraka veće.
Pojam "zrake" dolazi iz ranih dana istraživanja radijacije, kada se bila koja struja ionizirane radijacije opisivana pojmom "zrake". U to vrijeme kada su nazvane kozmičke zrake, još se nije poznavala njihova priroda i pretpostavljalo se da bi mogle biti oblik elektromagnetskog zračenja, kao γ-zrake. Čestice kozmičkih zraka dolaze pojedinačno, ne u obliku zraka – iako jedna čestica može stvoriti “pljusak” puno sekundarnih čestica. Danas se priroda čestica kozmičkih zraka treba naglasiti, tako da bi ih bilo korektnije zvati kozmičke čestice.
Oko 89% dolazećih kozmičkih zraka su jednostavni protoni (jezgra vodika), 10% su jezgre helija (alfa-čestice) i 1% su teži elementi. Te jezgre vodika i helija čine 99% kozmičkih zraka. Pojedinačni elektroni (poput beta-čestica) čine ostalih 1% galaktičkih kozmičkih zraka – to su kozmičke zrake koje dolaze izvan Sunčevog sustava. Još uvijek je nepoznato otkuda ti elektroni dolaze i zašto imaju ubrzanje manje od atomskih jezgara.
Porijeklo kozmičkih zraka je različito, jer jedan dio dolazi od Sunca, kao i od ostalih zvijezda, a drugi dio od nepoznatih događaja iz najudaljenijih dijelova vidljivog svemira. Kozmičke zrake imaju energiju veću od 1020 eV, puno veću nego što stvara akcelerator čestica – 1012 do 1013 eV.
Kozmičke zrake imaju najznačajniju ulogu u stvaranju litija, berilija i bora u svemiru, u procesu koji se zove nukleosinteza. One stvaraju neke radioizotope na Zemlji, kao ugljik-14. U povijesti fizike, značajne su jer uz njihove reakcije došlo se do otkrića pozitrona, miona i piona (pi-mezona). Zračenje kozmičkih zraka je najvećim dijelom sastav prirodnog pozadinskog zračenja na površini Zemlje i jako se teško zaštiti od njega, tako da je to jedan od najvećih problema za međuplanetarna putovanja.
mini|300px|Prva ikad napravljena slika pozitrona.
Sastav Kozmičke zrake se mogu podijeliti na primarne i sekundarne. Galaktičke kozmičke zrake koje dolaze do Sunčevog sistema su primarni izvor. One zatim reagiraju s međuzvjezdanom materijom i stvaraju sekundarne kosmičke zrake. Sunce isto emitira niskoenergetske kozmičke zrake, koje su povezane sa Sunčevim bakljama.
Teži elementi kozmičkih zraka, kao što su jezgra ugljika i kisika, sudaraju se s međuzvjezdanom materijom i lome se na lakše jezgre – litij, berilij i bor. Pored toga, još teža jezgra, kao što su željezo i nikl, kada se sudaraju s međuzvjezdanom materijom, nastaju ioni skandija, titanija, vanadija i mangana.
Od primarnih kosmičkih zraka, koji potiču izvan Zemljine atmosfere, oko 99% su jezgra dobro poznatih atoma (lišenih elektronske ljuske), a oko 1% usamljeni elektroni (to jest, jednsn tip beta čestica). Od jezgara, oko 90% su jednostavni protoni (tj. jezgra vodika); 9% su alfa čestice, identične jezgrima helija, a 1% su jezgra težih elemenata, nazvanih HZE ioni. copy
Različite količine kozmičkih zraka Kada tok kosmičkih zraka ulazi u gornji sloj Zemljine atmosfere, količina emisije na Zemljinu površinu, ovisi o dvije pojave: Sunčevom vjetru i Zemljinom magnetskom polju. Sunčev vjetar je raspršena magnetizirana plazma, koja dolazi sa Sunca i koja može usporiti dolazeće kosmičke čestice, kao i odbiti neke čestice koje imaju energiju manju od 1 GeV. Količina Sunčevog vjetra je promjenjiva i ovisi o 11-godišnjem Sunčevom ciklusu, tako da za vrijeme Sunčevog maksimuma, najmanja količina kosmičkih zraka dođe do Zemljine površine. Osim toga, Zemljino magnetsko polje odbija i lomi jedan dio kosmičkih zraka, pa tako količina kosmičkih zraka koje padnu na Zemljinu površinu ovisi i o geografskoj širini, geografskoj dužini i azimutskom uglu. U smjeru istok-zapad, količina kosmičkih zraka se mijenja, zbog polarnosti Zemljinog magnetskog polja. Količina kosmičkih zraka na ekvatoru je manja nego na polovima, zato što je i gustoća magnetnih linija rjeđa na polovima. Magnetski polovi ne podudaraju se s geografskim polovima (magnetska deklinacija).
Na velikoj udaljenosti od Sunca, otprilike 94 astronomske jedinice, dokle seže heliosfera, postoji područje do kojeg stiže Sunčev vjetar i s nadzvučne brzine prelazi ispod brzine zvuka, pa se stvara “krajnji udar Sunčevog vjetra”. Između krajnje granice heliosfere, zvane heliopauza i “krajnjeg udara Sunčevog vjetra”, nalazi se područje Sunčeva ravnica, koje smanjuje energiju kosmičkih zraka za 90%.
Uočavanje Jezgra atoma koje čine kosmičke zrake, mogu putovati velike udaljenosti do Zemlje, zbog male gustoće materije u svemiru. Kada stignu do Zemlje, atomska jezgra snažno udaraju u jezgra atmosferskih plinova. Ti sudari, zvani pljusak subatomskih čestica, stvaraju pione (pi-mezone) i K-mezone, nestabilne mezone koji brzo prelaze u mione. Mioni ne reagiraju s atmosferom i dodatno zbog vremenske dilatacije, oni lahko stižu do Zemljine površine i čak mogu prodrijeti do unutrašnjosti plitkih rudnika. Mioni su uključeni u ionizirajuće zračenje, pa se lahko mogu otkriti pom oću Wilsonove komore.
Kosmičke zrake koje se sudaraju izvan Zemljine atmosfere, s elementima težim od vodika i helija, mogu se otkriti s visokoenergetskim emisijama gama-čestica, koristeći teleskope s gama-česticama.
Kosmičke zrake se mogu otkriti ako prolaze kroz detektor čestica, koji se nalaze na satelitima ili balonima, na velikim visinama. Detektor čestica sastoji se od dvije ploče polikarbonatske plastike, koje se diretno izlažu kosmičkom zračenju. Nakon povratka u laboratoriju, ploče se polijevaju rastvorom tople natrijeve baze (NaOH), dok se ne pojave mali stožasti zarezi. Ako se promatra pod mikroskopom, može se utvrditi i električni naboj i energija čestice. Kod nuklearne fuzije, koristi se detektor čestica.
Interakcija sa Zemljinom atmosferom Nakon što uđu u Zemljinu atmosferu, kozmičke čestice se sudaraju s molekulama, uglavnom dušika i kisika, stvarajući slapove manjih čestica, zvane pljusak elementarnih čestica. Broj sekundarnih čestica koje nastaju nakon sudara jedne primarne čestice, može biti i na milijarde. Uglavnom nastaju pioni (pi-mezoni) i K-mezoni, nestabilni mezoni koji brzo prelaze u mione. mini|400px mini|400px|Nakon što uđu u Zemljinu atmosferu, kosmičke čestice se sudaraju s molekulama, uglavnom dušika i kisika, stvarajući slapove manjih čestica, zvane i pljusak elementarnih čestica. Kozmičke zrake stalno stvaraju i nestabilne izotope u Zemljinoj atmosferi, kao što je ugljik-14:
Kozmičke zrake drže količinu ugljika-14 u atmosferi uglavnom stalnim (70 tona) u zadnjih 100.000 godina, sve do 1950-ih, kada se započelo s testiranjem nuklearnog oružja. Ta se činjenica koristi u arheologiji, za datiranje ugljikom-14 ili utvrđivanje starosti nekog nalaza.