UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
MSc. Kristina Bikit
PROMENE NUKLEARNIH SPEKTARA POD
DEJSTVOM KOSMIČKOG ZRAČENJA
- DOKTORSKA DISERTACIJA -
Novi Sad
2015.
2
Predgovor
Zahvaljujem se na podršci, pre svega porodici, prijateljima i kolegama. Veliku zahvalnost
dugujem mentoru prof. dr Dušanu Mrđi na ukazanoj pomoći i strpljenju prilikom izrade
doktorske disertacije kao i članovima komisije prof. dr Miroslavu Veskoviću, prof. dr Nataši
Todorović i prof. dr Jovanu Puzoviću.
Kristina Bikit
3
Sadržaj
1 Uvod .......................................................................................................................................... 5
2 Interakcija kosmičkog zračenja sa atmosferom ........................................................................ 8
2.1 Sekundarne čestice ........................................................................................................... 9
2.1.1 Raspad miona .......................................................................................................... 11
2.1.2 Raspad i interakcije sekundarnih čestica ................................................................ 13
2.2 Elektromagnetni procesi i energetski gubici .................................................................. 15
2.2.1 Jonizacija i ekscitacija............................................................................................. 15
2.2.2 Zakočno zračenje 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,
2
He) kao modeli .............................................................. 34
3.4.2 Produkcija neutrona ................................................................................................ 36
4 Spektroskopija događaja indukovanih kosmičkim mionima i mogućnost vremenskog
razlaganja ovih događaja...................................................................................................... 38
4.1 Koincidentne tehnike...................................................................................................... 38
4.2 Spektroskopija događaja indukovanih kosmičkim mionima ......................................... 42
4.3 Eksperimentalna postavka .............................................................................................. 46
4.4 Vremensko razlaganje događaja indukovanih kosmičkim 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 Istraživanje mogućeg uticaja kosmičkog zračenja na verovatnoću radioaktivnog raspada .. 119
6.1 α,β spektroskopija pomoću tečnog scintilacionog brojača ........................................... 119
6.1.1 Scintilacioni proces ............................................................................................... 120
6.1.2 Tečni scintilacioni brojač (LSC) ili analizator (LSA)........................................... 122
6.1.3 Prigušenje (quench) prilikom tečnog scintilacionog brojanja .............................. 125
6.1.4 Teorija razdvajanja alfa i beta raspada .................................................................. 129
6.2 Ispitivanje varijacija u brzini radioaktivnog raspada
3
H .............................................. 131
6.2.1 Eksperimentalni postupak ..................................................................................... 132
6.2.2 Rezultati ................................................................................................................ 134
7 Dozni doprinos niskoenergetske komponente sekundarnog kosmičkog zračenja
na površini 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 Određivanje fluksa fotona i elektrona indukovanih kosmičkim zračenjem .......... 154
7.2.2 Određivanje primljenih doza pomoću Monte Karlo simulacija ............................ 157
7.3 Pregled dobijenih rezultata ........................................................................................... 162
8 Zaključak............................................................................................................................... 163
Literatura ..................................................................................................................................... 165
Biografija .................................................................................................................................... 170
5
1 Uvod
Kosmičko zračenje utiče na mnoge fizičke i biološke procese na Zemlji. Ovo zračenje delimično
potiče iz dubine kosmosa, a delimično i sa Sunca. Primarno kosmičko zračenje se pretežno
sastoji od visoko-energetskih protona. Putem nuklearnih interakcija sa jezgrima u atmosferi
nastaje mnoštvo sekundarnih čestica, od kojih do površine Zemlje najviše stižu mioni. Mioni su
u suštini teški elektroni, imaju isto naelektrisanje i spin kao elektroni, samo im je masa oko 200
puta veća. U poglavlju 2 doktorske disertacije razmatrana je interakcija kosmičkog zračenja sa
atmosferom, dok je u poglavlju 3 predstavljena fizika zahvata miona.
Iz kosmosa i sa Sunca do površine Zemlje stižu i nenaelektrisane čestice, neutrini. Neutrini sa
materijom interaguju samo slabom interakcijom, tako da je verovatnoća za njihovu interakciju sa
konvencionalnim detektorima zanemarljivo mala. Osobine neutrina ni dan danas nisu dovoljno
poznate, a najočitiji primer je nepoznavanje činjenice da li neutrino ima masu mirovanja i da li je
čestica Dirak ili Majorana tipa.
Savremena kosmološka istraživanja 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 čine dosad nepoznate teške slabointeragujuće čestice WIMP-ovi
(Weakly Interacting Massive Particles).
Jednu od bitnih poteškoća u detekciji WIMP-ova predstavlja činjenica da mnogi poznati fizički
procesi na jezgrima i atomima nisu dovoljno poznati na ovim izuzetno malim nivoima preseka,
odnosno verovatnoće. Tako se malo verovatni retki nuklearni procesi javljaju kao fon (smetnja)
za detekciju kosmičkih neutrina i WIMP-ova.
Već pomenuti mioni, koji sa velikim fluksom stižu do površine Zemlje, takođe stvaraju izuzetno
veliki fon (smetnju) za detekciju slabointeragujućih čestica.
Najveće svetske laboratorije za izučavanje WIMP-ova i neutrina su zbog toga smeštene duboko
ispod zemlje (nekoliko kilometara), jer mioni slabo prodiru kroz ovako debele slojeve.
