Click here to load reader

PROMENE NUKLEARNIH SPEKTARA POD DEJSTVOM KOSMIČKOG ZRAČENJA · PDF file PROMENE NUKLEARNIH SPEKTARA POD DEJSTVOM KOSMIČKOG ZRAČENJA - DOKTORSKA DISERTACIJA - Novi Sad 2015. 2

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of PROMENE NUKLEARNIH SPEKTARA POD DEJSTVOM KOSMIČKOG ZRAČENJA · PDF file PROMENE NUKLEARNIH...

  • 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.

Search related