우주에서 쏟아지는 입자, Cosmic Rays

Cosmic Rays

우주선이란 무엇일까요?

우주선은 양성자(proton), 전자(electron) 뿐만 아니라 광자(photon)과 중성미자 (neutrino)와 같은 입자들로 지구의 외부에서 매우 빠른 속도로 모든 방향에서 지구로 쏟아지고 있습니다. 이 입자들은 태양에서, 은하수에서 그리고 먼 은하계들에서 온 것으로 매초 1평방미터 당 약 1000개의 입자가 쏟아지고 있다고 합니다. 대부분의 입자들은 매우 낮은 에너지를 가지고 있으며 지구의 자기장에 의해 그 힘이 감소되어 지구의 대기에 다다르지 못합니다. 그러나 낮은 에너지의 입자들은 지구의 극점 대기에서 오로라의 모습으로 나타납니다. 우주선의 고에너지 입자들은 지구 대기 중 가스 분자의 원자 핵와 충돌합니다. 이 충돌로 새로운 입자를 만들어 지고 이 입자들이 지구의 표면을 향해 쏟아지게 됩니다. 대부분은 높은 대기에 흡수되지만 일부는 지구의 표면에 도달합니다. 우주선은 높은 고도에서 측정될 수 있기 때문에 열기구나 비행기 또는 높은 산에 위치한 연구소 등에 측정 도구들이 설치됩니다.

Cosmic rays are protons, electrons, whole atomic neclei, as well as other particles such as photons and neutrinos, which constantly and from all directions hit the outer atmosphere of the earth ar high speed. These particles come from the sun, the milky way, and distant galaxies. About 1000particles hit the earth per square meter and per second. Particle that originate from the sun have relatively modest energies, while particles from distant galaxies can reach extremely high energies, although very high energies are also rare. Most particles have much lower energies and are deflected by the earth’s magnetic field and do not reach the earth’s atmosphere. Low energetic particles, however, do reach the earth’s atmosphere ar the magnetic poles, which leads to the appearance of the Aurora Borealis. High-energy particles form cosmic rays collide with atomic nuclei of gas molecules in the earth’s atmosphere. These collisions create a shower of new particles, all flying towards the earth’s surface. Most are absorbed in the higher atmosphere, some reach the earth’s surface. At high altitudes more of these particles can be measured and therefore measuring instruments have been installed in balloons, airplanes and high mountain research stations such as the Jungfraujoch.

Cosmic Rays의 선구자들

알베르트 고켈 Albert Gockel, 4500m 1909

빅터 헤스 Victor Hess 5300m 1911

베르너 콜러스터 Werner Kolhorster 9300m 1914

비행기 고도 Air plane traveling altitude 10,000m

베르트르 피카르 Bertrand Piccard World Tour 11,700m

기상 관측 기구 Weather balloon 20,000m

국제우주정거장의 우주입자검출기 ISS-AMS experiment 400,000m, 2011-현재

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알베르트 고켈

Albert Gockel

1860-1927

알베르트 고켈은 4500m 높이에서 공기의 희박함을 측정하기 위해 열기구 비행을 시작하였습니다. 첫 번째 비행은 1909년 12월 국제 열기구 주간으로 이때의 실험으로 고켈은 다음과 같은 결론을 얻었습니다. “자유로운 대기에서 관통하는 방사선은 줄어든다. 하지만 그럼에도 어느 정도는 방사선이 단지 땅에서만 방출되는 것은 아니며 광선의 일부는 반드시 지구 외부의 별이나 대기권에서 오는 것이다.” 비록 알베르트 고켈이 우주선을 직접적으로 언급하지는 않았지만 우주선의 발견자 중 하나로 손꼽히고 있습니다.

2

빅터 헤스

Victor Hess

1883-1964

빅터 헤스는 높은 고도의 낮은 기압에서도 전위계electrometer를 사용할 수 있도록 개선하였습니다. 1910년대 초 열기구 비행에서 헤스는 대기의 이온화가 고도에 따라 감소하지 않는다는 놀라운 결론에 다다랐습니다. 1500m에서 이온화는 지상에서와 동일했으나 3500m에서 4배 이상, 5000m에서는 지표면보다 약 16배 이상 증가하였던 것입니다.

3

베르너 콜러스터

Werner Kolhorster

1887-1946

베르너 콜러스터는 더 높은 고도에서 열기구 비행을 하였습니다. 1914년 6월 비행 중 9300m의 고도에 다다랐으며 그 결과 높은 에너지의 방사선이 지구 바깥에서 온 것이라는 것에 대한 완벽한 확증이 되었습니다. 우주 방사선의 존재가 드디어 확인된 것입니다. 우주에서 쏟아지는 입자를 찾으려는 노력은 지금도 계속되고 있습니다. 국제우주정거장 ISS(International Space Station)에서는 우주입자검출기 AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)를 통해 우주선을 직접 측정하고 있습니다. 융프라요흐에서는 태양의 주기에 따른 우주선의 밀도를 60년 넘게 측정하고 있으며 아르헨티나의 피에르 오제르 천문대(Pierre Auger Observatory)에서는 3000㎢ 넓이에 설치된 1660개의 검출기로 입자를 관측하고 있습니다. 그렇다면 인간은 입자에 대한 수많은 궁금증을 통하여 우주와 물질의 기원에 대한 비밀을 어떻게 풀어가고 있을까요?

입자물리학, 가장 작은 것으로 본 우리의 모든 것

입자물리학이란 자연에 일어나는 모든 현상을 근본적인 원리로 설명하려는 노력의 일환으로, 우주를 구성하는 물질을 연구하는 학문입니다. 입자물리학은 가장 작은 미시세계에서 일어나는 소립자의 상호작용에서, 가장 큰 거시세계인 우주의 기원에 이르기까지 넓은 범위를 다룹니다.

물질은 원자로 이루어졌다고 합니다. 이 원자는 전자와 원자핵으로 구성됩니다. 원자핵 안에는 양성자와 중성자가 결합되어 있고, 이들을 더 쪼개면 쿼크로 나누어집니다. 눈에 보이지 않는 작은 입자들과 이들 사이 힘의 작용이 우주와 어떠한 관계가 있는 것일까요?