تفاعلات الاشعة الكونية مع نوى ذرات الغلاف الجوي للارض

تم اكتشاف الاشعة الكونية علم (م 1912) على يد العالم (فكتور هيس) عندما قام بتجربة وهي وضع كاشف بداخل بالون كبير يطير على ارتفاع 17400 قدم (5300 متر)، وقد اكتشف أن الإشعاعات المؤيّنة أكبر بثلاثة أضعاف منها على الأرض، الأمر الذي يعني أن الإشعاع يجب أن يكون آتياً من الفضاء الخارجي، وحصل على جائزة نوبل بالفيزياء عام ( م 1936) على هذا الاكتشاف. ولكن تقفّي أثر الإشعاع الكوني “قصص الأصل” استغرق أكثر من قرن من الزمن، في سنة 2013، عرض تلسكوب فيرمي لأشعة غاما Fermi Gamma-ray التابع لناسا نتائج من مراقبة بقايا انفجار نجمين من المستعر الأعظم الموجود في مجرة درب التبانة وهما: IC 433 و W44. ومن بين بقايا هذه الانفجارات النجمية فوتونات أشعة غاما والتي (على عكس الأشعة الكونية) لا تتأثّر بالمجالات المغناطيسية، ومن دراسة أشعة غاما تبيّن أنها تحمل نفس دليل الطاقة التي تحملها الجسيمات دون الذرية والتي تدعى البيونات المتعادلة neutral pions. وتنتج البيونات عندما تتعثر البروتونات بمجال مغناطيسي يحدث انفجار المستعر الاعظم وتتصادم مع بعضها البعض.

قد يتسائل الجميع عن الاشعة الكونية، ما هي؟ ومن اين تأتي؟ وكيف يتم تسارعها الى مثل هكذا طاقات عالية جدا؟

مصادر هذه الأشعة عديدة فمنها مثلا أشعة مصدرها النتوءات التي تبرز من قرص الشمس وتبلغ سرعتها )200060( كيلومتر في الثانية، ويطلق عليها الرياح الشمسية، وأشعة مصدرها النجوم وتكون خاطفة لكنها قوية جداً وتنشأ من اندماج المجرات وهي الأشعة الناتجة في السدم، وهناك أشعة كونية تأتي من مصادر مجهولة في أقاصي الجزء المنظور من الكون، مسار الأشعة الكونية في الفضاء يتبع خطوط القوى المغناطيسية للشمس والكواكب، وبدراسة أنواع الأشعة الكونية المختلفة يمكن معرفة كيفية تكون النجوم ونشوء الكون.

حتى من خلال النجم عندما يصل اي نجم الى مراحله الاخيرة من عمره ثم ينفجر مكون ما يسمى بـ (السوبرنوفا) حيث انها المرحلة النهائية للنجم ثم ينفجر ليكون نجوم اصغر منه وكذلك ينتج عنه كم هائل من جسيمات الاشعة الكونية تمتد الى عشرات الكيلو مترات وتبقى في الكون لاسابيع او اشهر او حتى سنوات. حيث عندما ينطلق جسيم الاشعة الكونية في الفضاء فأنه يمر بعدة مجالات مغناطيسية ليصل الى الغلاف الجوي للارض وهذه الحقول المغناطيسية سبب تسارعه الى مثل هكذا طاقات عالية جدا، مثل المجال المغناطيسي للمجرة والمجال المغناطيسي للشمس وكذلك المجال المغناطيسي للارض.

منذ اكتشافها تم التعرف على الكثير منها لكن مازال هناك الكثير من الغموض. حيث يعد تكوين اعلى طاقة احد اكثر الظواهر غموضا في الكون. قد تحمل الأشعة الكونية طاقة عالية جداً تفوق (1000) جيجاإلكترون فولت (1000 GeV)، وهذا قدر من الطاقة أكبر بكثير مما استطاع العلماء تعجيل الجسيمات إليه في معجلات الجسيمات حتى وقت قريب، وقد بدأ مصادم الهدرونات الكبير المبني تحت الأرض باتساع (27 ) كيلومتر قرب مدينة جينيف وهو يسرع البروتونات إلى نحو (7000 ) جيجا إلكترون فولت. فعندما تصطدم الاشعة الكونية مع نوى ذرات الغلاف الجوي سف تتفاعل معها لتنتج كم هائل من الجسيمات الثانوية. وتبدأ هذه الجسيمات الثانوية بالتفاعل مرة اخرى لانتاج جسيمات اخرى حيث يستمر هذا التفاعل على شكل سلسلة الى ان يصل الى طاقة معينة يقف عندها التفاعل وتسمى (الطاقة الحرجة). ويسمى هذا التفاعل الناتج من تفاعل جسيم واحد من الاشعة الكونية مع نوى واحدة من الغلاف الجوي وخلق كم هائل من الجسيمات بـ (وابل الجسيمات المكثف) ويرمز له (EAS ) او يسمى الشوار الهوائي.

في نهاية هذا التفاعل انتاج جسيمات ثانوية قد تصطدم بسطح الارض، لذلك تم وضع منظومات على سطح الارض لقياس وكشف هذه الجسيمات الناتجه من تفاعلات الاشعة الكونية مع نوى ذرات الغلاف الجوي للارض والتي تتكون هذه المنظومات من عدة كواشف مرتبة ومنظمة بشكل معين من حيث المسافة والارتفاع وكذلك النوع وغيرها.

العناصر المشعه: هي العناصر التي تكون نواتها غير مستقرة الحركة نتيجه لزياده عدد البروتونات والنايترونات ولها تقسمات عديده

اكتشف العالمان لمبل وود عام (1906 ) نشاطا اشعاعيا ضعيفا في البوتاسيوم والروبيديوم وبعد ذلك بست وعشرين عاما اكتشف العالمان هفزي وباهل عام (1932) ان هناك نشاطا اشعاعيا في السماريوم واكتشف حديثا عددا من النظائر المشعه الموجوده في الطبيعة، ان النظير المشع لبعض العناصر موجود بنسبه ضئيله في الطبيعة وفي حالات أخرى تكون فترة نصف العمر ل النظير المشع طويله جدا هذان العاملان يؤديان إلى نشاط ضعيف للعينه المدروسه مما يصعب عملية الكشف عن هذا النشاط ويتوقع العلماء انه بالإمكان اكتشاف نظائر مشعه أخرى في الغلاف الجوي. تنشأ الاشعه الكونيه من مصادر عديده في الفضاء ويعتقد العلماء ان النجوم المنفجره المسماة سوبرنوفا والنجوم عالية الكثافة المسماة المنبضات تنتج كميات كبيره من الأشعة الكونيه كما ان بعض الاشعه الكونيه تنتجها الشمس، لكن الأشعة الكونيه ذات الطاقة العاليه جدا هي فقط التي تستطيع اختراق الغلاف الجوي الارضي، واقل من واحد في المليون من الأشعة المخترقه هو الذي يصل إلى سطح الأرض دون ان يصطدم بذره في الهواء وتؤدي هذه التصادمات إلى تحطيم كل من الشعاع الكوني والذرة مولدا فيضا من الجسيمات تحت الذرية ذات الطاقة العاليه.

تم تصنيف جسيمات الاشعة الكونية الى صنفين هما، اولا جسيمات اولية وهي الجسيمات التي تأتي من الفضاء الخارجي قبل ان تصطدم بسطح الغلاف الجوي للارض. والتي تكون معظمها نوى مؤينة حوالي (86 % بروتونات، 11 % جسيمات الفا، 2% جسيمات مضادة مثل البوزترون، 1% انوية ثقيلة) والتي تتميز بطاقاتها العالية جدا. اما الصنف الثاني هي جسيمات ثانوية والتي هي الجسيمات الناتجة من تفاعل الجسيمات الاولية مع نوى ذرات الغلاف الجوي للارض مثل (البيونات والكايونات والالكترونات والميونات  والنيوترونات وكذلك اشعة كاما وغيرها).

حيث تم تقسيم الجسيمات الثانوية الى ثلاث انواع وتسمى الشلالات الهوائية وتقسم حسب نوع الجسيم الثانوي الناتج وهي (الهادرونات، الكهرومغناطيسي، الميونك). حديثا تم استخدام جسيمات الميونات الناتجة من تفاعلات الاشعة الكونية في تصوير الاجسام بالضبط مثل الاشعة السينية المستخدمة بالطب لكشف الكسوروماشابه ذلك. لكن الاختلاف هو ان تصوير الاشعة السينية للاشياء الصغيرة اما الميونات تستخدم للاشياء الكبيرة مثل البراكين والجبال وغيرها.  في عام (2017) تم نشر بحث على استخدام الميونات الناتجة من تفاعلات الاشعة الكونية بتصوير الاهرامات المصرية عن طريق مجموعة من الباحثين لعدة دول واكتشفوا وجود نفق فارغ في اعلى اكبر الاهرامات المصرية بطول حوالي (31 متر) لم يكتشف من قبل.

ان دراسة الاشعة الكونية دراسة مهمه للغاية لان الجسيمات المشحونة التي تصل الى سطح الارض لها تأثيرات على الانسان والحيوانات والنباتات وغيرها.

في عام 2016، وجدت مركبة فضائية تابعة لوكالة الفضاء الأمريكية، ناسا، أنّ معظم هذه الاشعة الكونية تأتي على الأرجح من التجمّعات القريبة (نسبياً) للنجوم الضخمة. وقد رصدت مركبة مستكشف التكوين المتقدم Advanced Composition Explorer التابعة للوكالة الأشعة الكونية نشاط إشعاعي يتشكّل من الحديد، والمعروف ب الحديد-60. ونظراً لأن هذا الشكل من الاشعة الكونية يتحلّل بمرور الوقت، فيُقدر العلماء أنه يجب أن تكون قد نشأت على بعد لا يزيد عن 3000 سنة ضوئية عن الأرض، وهي المسافة المساوية لعرض الذراع الحلزونية المحلية لمجرة درب التبانة. وقد أُطلقت تجربة سُمِّيت بتجربة كتلة وطاقة الأشعة الكونية Cosmic Rays Energetics And Mass Experiment (يطلق عليها اختصاراً CREAM) إلى محطة الفضاء الدولية عام 2017. ومن المتوقع أن تعمل التجربة لمدة ثلاث سنوات لتجيب عن أسئلة جدلية مثل ما إذا كانت المستعرات العظمى تولّد معظم الأشعة الكونية، ومتى تنشأ الأشعة الكونية، وما إذا كان يمكن تفسير جميع أطياف الطاقة للأشعة الكونية بآلية واحدة. وتستضيف محطة الفضاء الدولية تلسكوب الالكترون المسعري CALorimetric Electron Telescope الذي يبحث عن الأشعة الكونية ذات أعلى أنواع الطاقة، وقد أُطلق هذا التلسكوب في العام 2015. ويمكن الكشف عن الأشعة الكونية ايضاً عن طريق المنطاد. وذلك من خلال تجربة مٌكتشف تحويل العناصر المجرية الكبير Super Trans-Iron Galactic Element Recorder والتي تتضمّن مشاركة من مختبر الدفع النفاث Jet Propulsion Laboratory التابع لوكالة ناسا ولجامعات أخرى. وقد طار المنطاد مرات عدة بما فيها رحلة نموذجية مدتها 55 يوم فوق القارة القطبية الجنوبية، انتاركتيكا، ما بين شهر كانون الأول/ديسمبر 2012 وحتى شهر حزيران/يونيو 2013، ويقول موقع التجربة: “ندرس أصل الأشعة الكونية من خلال بيانات هذه الرحلة، وبشكل خاص اختبار النموذج الناشئ لأصول الاشعة الكونية في تجمعات من نجوم OB (وهي نجوم شديدة السخونية) OB associations، وكذلك نماذج لتحديد الجزيئات التي ستُسرَّع”.

وفي عام 2017 حدثت قفزة كبيرة للأمام في علم الأشعة الكونية، عندما درس مرصد بيير أوجير Pierre Auger Observatory (والذي يمتد على مساحة أكثر من 3000 كيلومتر مربع أو 1160 ميل مربع) مسارات وصول 30000 جسيم كوني. وأنهى ذلك بأنه يوجد اختلافاً في عدد مرات وصول هذه الأشعة الكونية إلى الأرض اعتماداً على المكان الذي تنظر إليه. قال الباحثون بأنه على الرغم من أنّ أصولهم ما تزال غامضة فإن الخطوة الأولى في سبيل معرفة المكان الذي جاؤوا منه هي معرفة المكان الذي تنظر إليه.

توفر نظرة ثاقبة فريدة لدراسة الشلالات الناتجة عن تفاعلات الاشعة الكونية مع نوى ذرات الغلاف الجوي للأرض ، لأنها تعطي طاقة أعلى بكثير من تلك التي تم الحصول عليها في التصادمات من صنع الإنسان على خصائص تفاعل هادرون في الطاقات العالية،  لا يمكن للنموذج التحليلي البسيط أن يشرح بدقة إنشاء الشوار الشامل لأنه معقد للغاية، لذلك عادةً ما يتم تصميمها باستخدام محاكاة مونت كارلو لنقل وتفاعل كل جسيم شوار فردي ، بناءً على فهمنا الحالي للتفاعلات ، والانحلال ، ونقل الجسيمات في المادة  بسبب تعقيدات الأنظمة المعنية التي تحدث أثناء إنشاء شوار هوائي ، غالبًا ما تستخدم المحاكاة العددية لإجراء دراسات شاملة لخصائصها  لذلك ، يؤثر كل من المحاكاة على تفاعلات الجسيمات والانتقال في الغلاف الجوي ، وكذلك الافتراضات النموذجية ، تؤثر على النتائج الكمية  يجب أن تؤخذ جميع العمليات التي لها تأثير كبير على إجراءات الشوار الهوائي في الاعتبار من خلال خوارزميات المحاكاة  وكذلك كل التفاعلات الكهروديناميكية ، وتصادم الهادرونيك ، والعمليات النووية الضوئية ، وانحلال الجسيمات ، وما إلى ذلك بينما ، يوجد برامج خاصة لمحاكاة الاشعة الكونية والجسيمات الناتجة منها ومن ضمنها برنامج المحاكاة ايرس (AIRES) وكذلك برنامج كورسيكا (CORSIKA ).

تُعرف ايرس (AIRES ) بأنها مجموعة من البرامج والروتينات الفرعية التي تُستخدم لمحاكاة جسيمات الاشعة الكونية، وهي اختصار لـ “AIR-shower Extended Simulations” ، حيث تُستخدم لمحاكاة الاشعة الكونية التي يتم إنشاؤها عندما تصطدم الأشعة الكونية الأولية عالية الطاقة الغلاف الجوي وإدارة جميع بيانات المخرجات ذات الصلة بها تحاكي ايرس (AIRES ) انتشار الجسيمات في الزمان والمكان في إطار عملي ، مع مراعاة خصائص الغلاف الجوي ، وانحناء الأرض ، والمجال المغناطيسي للأرض يتم أخذ العديد من الجسيمات في عمليات المحاكاة باستخدام برنامج (AIRES )، بما في ذلك “اشعة كاما ، والإلكترونات ، والبوزيترونات ، والميونات ، والميزونات ، والبيونات ، والنيوكليونات ، ، وباريونات لامدا ، والنواة حتى Z = 36”. في (EAS )، قد يكون الجسيم الأساسي عبارة عن بروتون ، أو نواة حديد ، أو أي من الجسيمات الأخرى الموصوفة أعلاه ، مع طاقات تتراوح من أقل من 10⁹ eV فولت إلى أكثر من 10²¹ eV.