promene nuklearnih spektara pod dejstvom kosmikog zraenja

  • View
    238

  • Download
    8

Embed Size (px)

Text of promene nuklearnih spektara pod dejstvom kosmikog zraenja

  • UNIVERZITET U NOVOM SADU

    PRIRODNO-MATEMATIKI FAKULTET

    DEPARTMAN ZA FIZIKU

    MSc. Kristina Bikit

    PROMENE NUKLEARNIH SPEKTARA POD

    DEJSTVOM KOSMIKOG ZRAENJA

    - DOKTORSKA DISERTACIJA -

    Novi Sad

    2015.

  • 2

    Predgovor

    Zahvaljujem se na podrci, pre svega porodici, prijateljima i kolegama. Veliku zahvalnost

    dugujem mentoru prof. dr Duanu Mri na ukazanoj pomoi i strpljenju prilikom izrade

    doktorske disertacije kao i lanovima komisije prof. dr Miroslavu Veskoviu, prof. dr Natai

    Todorovi i prof. dr Jovanu Puzoviu.

    Kristina Bikit

  • 3

    Sadraj

    1 Uvod .......................................................................................................................................... 5

    2 Interakcija kosmikog zraenja sa atmosferom ........................................................................ 8

    2.1 Sekundarne estice ........................................................................................................... 9

    2.1.1 Raspad miona .......................................................................................................... 11

    2.1.2 Raspad i interakcije sekundarnih estica ................................................................ 13

    2.2 Elektromagnetni procesi i energetski gubici .................................................................. 15

    2.2.1 Jonizacija i ekscitacija............................................................................................. 15

    2.2.2 Zakono zraenje i produkcija para ........................................................................ 15

    3 Fizika zahvata miona .............................................................................................................. 17

    3.1 O zahvatu miona............................................................................................................. 17

    3.2 Fundamentalni koncepti ................................................................................................. 19

    3.2.1 Osobine miona i neutrina ........................................................................................ 19

    3.2.2 Slaba interakcija ...................................................................................................... 23

    3.3 Mionski atom.................................................................................................................. 26

    3.3.1 Zahvat od strane atoma ........................................................................................... 26

    3.3.2 Mionska kaskada ..................................................................................................... 27

    3.4 Zahvat miona na jezgru .................................................................................................. 33

    3.4.1 Reakcije (n,p), (p,n) i (d, 2He) kao modeli .............................................................. 34

    3.4.2 Produkcija neutrona ................................................................................................ 36

    4 Spektroskopija dogaaja indukovanih kosmikim mionima i mogunost vremenskog

    razlaganja ovih dogaaja...................................................................................................... 38

    4.1 Koincidentne tehnike...................................................................................................... 38

    4.2 Spektroskopija dogaaja indukovanih kosmikim mionima ......................................... 42

    4.3 Eksperimentalna postavka .............................................................................................. 46

    4.4 Vremensko razlaganje dogaaja indukovanih kosmikim mionima.............................. 51

    5 Spektrometarski sistem MIREDO ....................................................................................... 65

    5.1 Optimizacija spektrometarskog sistema ......................................................................... 66

    5.2 Geometrijska postavka eksperimenta ............................................................................. 83

  • 4

    5.3 Realizacija eksperimenta ................................................................................................ 88

    5.4 GEANT4 simulacija eksperimenta................................................................................. 91

    5.5 Rezultati ....................................................................................................................... 100

    6 Istraivanje mogueg uticaja kosmikog zraenja na verovatnou radioaktivnog raspada .. 119

    6.1 , spektroskopija pomou tenog scintilacionog brojaa ........................................... 119

    6.1.1 Scintilacioni proces ............................................................................................... 120

    6.1.2 Teni scintilacioni broja (LSC) ili analizator (LSA)........................................... 122

    6.1.3 Priguenje (quench) prilikom tenog scintilacionog brojanja .............................. 125

    6.1.4 Teorija razdvajanja alfa i beta raspada .................................................................. 129

    6.2 Ispitivanje varijacija u brzini radioaktivnog raspada 3H .............................................. 131

    6.2.1 Eksperimentalni postupak ..................................................................................... 132

    6.2.2 Rezultati ................................................................................................................ 134

    7 Dozni doprinos niskoenergetske komponente sekundarnog kosmikog zraenja

    na povrini Zemlje ............................................................................................................. 143

    7.1 Opis eksperimenta ........................................................................................................ 145

    7.1.1 Laboratorijska merenja ......................................................................................... 145

    7.1.2 In-situ merenja ...................................................................................................... 148

    7.2 Rezultati ....................................................................................................................... 154

    7.2.1 Odreivanje fluksa fotona i elektrona indukovanih kosmikim zraenjem .......... 154

    7.2.2 Odreivanje primljenih doza pomou Monte Karlo simulacija ............................ 157

    7.3 Pregled dobijenih rezultata ........................................................................................... 162

    8 Zakljuak............................................................................................................................... 163

    Literatura ..................................................................................................................................... 165

    Biografija .................................................................................................................................... 170

  • 5

    1 Uvod

    Kosmiko zraenje utie na mnoge fizike i bioloke procese na Zemlji. Ovo zraenje delimino

    potie iz dubine kosmosa, a delimino i sa Sunca. Primarno kosmiko zraenje se preteno

    sastoji od visoko-energetskih protona. Putem nuklearnih interakcija sa jezgrima u atmosferi

    nastaje mnotvo sekundarnih estica, od kojih do povrine Zemlje najvie stiu mioni. Mioni su

    u sutini teki elektroni, imaju isto naelektrisanje i spin kao elektroni, samo im je masa oko 200

    puta vea. U poglavlju 2 doktorske disertacije razmatrana je interakcija kosmikog zraenja sa

    atmosferom, dok je u poglavlju 3 predstavljena fizika zahvata miona.

    Iz kosmosa i sa Sunca do povrine Zemlje stiu i nenaelektrisane estice, neutrini. Neutrini sa

    materijom interaguju samo slabom interakcijom, tako da je verovatnoa za njihovu interakciju sa

    konvencionalnim detektorima zanemarljivo mala. Osobine neutrina ni dan danas nisu dovoljno

    poznate, a najoitiji primer je nepoznavanje injenice da li neutrino ima masu mirovanja i da li je

    estica Dirak ili Majorana tipa.

    Savremena kosmoloka istraivanja su pokazala da je veliki deo svemira ispunjen tamnom

    materijom (5% materije poznate fizici, 27% tamne materije i 68% tamne energije). Smatra se da

    najverovatnije tamnu materiju ine dosad nepoznate teke slabointeragujue estice WIMP-ovi

    (Weakly Interacting Massive Particles).

    Jednu od bitnih potekoa u detekciji WIMP-ova predstavlja injenica da mnogi poznati fiziki

    procesi na jezgrima i atomima nisu dovoljno poznati na ovim izuzetno malim nivoima preseka,

    odnosno verovatnoe. Tako se malo verovatni retki nuklearni procesi javljaju kao fon (smetnja)

    za detekciju kosmikih neutrina i WIMP-ova.

    Ve pomenuti mioni, koji sa velikim fluksom stiu do povrine Zemlje, takoe stvaraju izuzetno

    veliki fon (smetnju) za detekciju slabointeragujuih estica.

    Najvee svetske laboratorije za izuavanje WIMP-ova i neutrina su zbog toga smetene duboko

    ispod zemlje (nekoliko kilometara), jer mioni slabo prodiru kroz ovako debele slojeve.

    Deo istraivanja u okviru doktorske disertacije fokusiran je na otkrie mionskih fonskih dogaaja

    koji nisu potpuno zanemarljivi ak i na velikim dubinama. Za izuavanje ovih procesa razvijen je

    niskofonski detekcioni sistem lociran u laboratoriji na Departmanu za fiziku. Spektrometarski

    sistem MIREDO (Muon Induced Rare Events Dynamic Observatory) namenjen je izuavanju

    retkih procesa koje mioni indukuju na povrini Zemlje.

    Utvri