공부하고 정리하고

오늘은 우주선(cosmic ray)에 관해서 이야기를 해보려고 합니다.

-갈릴레오 갈릴레이-

과거에 하늘에 떠 있는 달 별들을 보기 위해 육안으로 관찰을 했었죠. 그러다가 1608년 한스 리퍼세이에 의해 처음 굴절 망원경이 발명되었고 그 이후에 반사 망원경이 개발되었죠. 그 후에 전자기파 관측을 위해 1931년에는 칼 잰스키에 의해 전파망원경이 개발되었습니다. 이렇게 사람들은 우주의 비밀을 풀기 위해 망원경을 개발했고 그동안 수많은 의문점을 해결했습니다. 한가지 예로 갈릴레오 갈릴레이나 케플러가 지구가 둥글다는 말을 했을 때 이러한 망원경이 없었다면 주장할 근거를 찾기 어려웠을 겁니다.

하지만 이렇게 관측하는 것은 한계가 있습니다. 이제 우리가 알고자 하는 것은 더욱더 멀리 있는 우주의 일입니다. 현재의 우리의 힘으로 갈 수도 없는 곳에서 일어나는 일을 규명하고 싶어합니다. 그래서 이를 알아내기 위해 우리는 지구를 이용하게 됩니다.

지구는 두꺼운 공기층으로 되어있습니다. 우주선(cosmic ray)이 여기를 지나면서 반응을 하게 되고 여기서 발생하는 입자를 검출하여 역으로 들어온 우주선의 에너지를 예측하는 것입니다.

-2차 입자 생성-

우선 우주선(cosmic ray)은 95% 정도가 양성자 4% 정도가 헬륨인 알파선입니다. 이를 1차 입자라 하고 반응을 하게 되면 핵력을 매개하는 파이온 중간자가 발생하며 또 파이온으로부터 감마선, 전자, 뉴트리노가 발생합니다. 이를 2차 입자라 합니다. 그런데 이렇게 1차에서 2차로 반응하여 변하는 것이 꼭 샤워기에서 물 틀면 나오는 것처럼 연쇄반응으로 퍼져 나가기 때문에 에어샤워라고 합니다.
결론적으로 이 에어샤워로 나온 2차 입자를 검출하게 됩니다. 검출된 입자를 처음 들어온 우주선일때의 에너지를 역추적해서 알 수 있고 어디서 날라오는 것인지 추측할 수 있습니다.

-에너지당 들어오는 우주선속-

이 우주선(cosmic ray) 중에서 아주 높은 에너지도 있습니다. 유럽 입자 물리 연구소에서 지은 CERN이 13TeV정도 라고 하는데 가장 높은 에너지의 가속기입니다. 이보다 높은 에너지가 우주에서 옵니다. 테라는 1012 이고 1015, 1020의 에너지를 가진 입자도 들어옵니다. 이를 검출함으로써 이 에너지가 어디서 왔으며 어떻게 발생했을지를 알 수 있게 해줄지도 모릅니다. 하지만 문제점이 하나 있습니다. 이런 초고에너지의 우주선의 경우는 지구 도달 확률이 매우 낮습니다. 1016eV에너지의 입자인 경우는 1m2의 면적에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 그리고 1018인 경우는 1km2에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 이렇게 관측하기 힘들기 때문에 관측기의 면적은 거대해지고 있습니다.
이렇게 엄청난 에너지를 만들어내는 근원은 무엇일까요? 현재 기술로 만든 CERN도 비교적 매우작은 13TeV인데… 바로 은하 간 충돌이나 블랙홀을 가진 은하들에서 나오게 됩니다. 이를 통해 우주의 신비를 푸는 실마리를 제공해주고 있습니다.
언젠가는 우주의 비밀을 푸는 날이 기대하며… 다음에는 기회가 되면 암흑물질에 대해서도 소개해볼까 합니다.

-출처-

1. 
2. https://medium.com
3. http://www.conniemah.com
4. http://physicsopenlab.org/2016/01/02/cosmic-rays-coincidence/
5. http://personal.psu.edu/nnp/cr.html
   6.http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast536/ast536week10.html