Kosmisk strålning

Är du nyfiken på kosmisk strålning? Sätt ihop din egen detektor utifrån en egen frågeställning. Du kan komplettera med data som vi har samlat in med hjälp av en höghöjdsballong, vi skickade upp partikeldetektorer och en mängd andra sensorer till över 30 km höjd! Vi har mätningar från många flygningar.

Gymnasiearbetena genomförs i huvudsak under höstlovet, vecka 44 (30/10 – 1/11). Under träffarna varvas eget arbete med information kring kosmisk strålning, hjälp med att välja en frågeställning, planera projektet och lära dig hur detektorerna fungerar. Under resten av terminen kan utrustning lånas eller laborationer genomföras i Vetenskapens Hus efter överenskommelse.

Ansökan: stängd
Plats: Vetenskapens Hus
Målgrupp: gymnasieelever som går NV/TK-program
Ämne: fysik
Kontakt: fysik@vetenskapenshus.se

Schema hösten 2023

Exakta innehållet i träffarna är preliminärt

Träff 1: måndag 30 oktober kl 9.15-16.00

Introduktion
Föreläsning: Experimentutförande och mätosäkerhet
Genomgång detektorer, demonstrationer
Lab: Kosmisk strålning, testa detektorer
Lunchpaus ca 12-13 (Vi har begränsad möjlighet att värma mat, tag helst med mat som går att äta kall. Alternativt finns restauranger i närheten)
Föreläsning: Kosmisk strålning
Genomgång av dataanalys, uppföljning av labb
Diskutera möjliga frågeställningar

Träff 2: tisdag 31 oktober kl 9.15-16.00

Föreläsning: Mätosäkerhet del 2
Visning av ballong-/raketflygningar, genomgång av dataanalys.
Formulera egna frågeställningar, diskussion och frågor
Lunchpaus ca 12-13 (Vi har begränsad möjlighet att värma mat, tag helst med mat som går att äta kall. Alternativt finns restauranger i närheten)
Designa er undersökning, alternativt boka utrustning och påbörja ert experiment
Kort presentation av alla gruppers preliminära frågeställningar

Träff 3: onsdag 1 november kl 9.15-16.00

Tider finns för att genomföra er undersökning, eller låna utrustning i mån av tillgänglighet. Alternativt boka tider längre fram under hösten.

Träff 4: en kväll i februari kl 17.00-19.00

Mini-konferens – Presentation av era resultat, en chans att öva inför redovisningen på er skola.

Beskrivning och bakgrund

När vi talar om kosmisk strålning talar vi oftast om jon- och partikelstrålning bestående av protoner, heliumkärnor och tyngre joner (men begreppet innefattar egentligen även elementarpartiklar). Vilka astrofysiska processer som ger upphov till den kosmiska strålningen är fortfarande en gåta, och det pågår mycket forskning kring detta. Bara ett fåtal av dessa partiklar kommer från vårt eget solsystem (då främst från solen) och de har låg energi.

De flesta partiklarna tycks komma från Vintergatan, men de med mycket hög energi kommer troligen från andra galaxer. Troliga källor till energirik kosmisk strålning är bland annat supernovor, aktiva galaxkärnor, neutronstjärnor, pulsarer, kvasarer och jet-strålar från svarta hål.

I och med att strålningen är väldigt energirik är den skadlig för livet här på jorden, men som tur är så är vi skyddade av både atmosfären och jordens magnetfält. Den kosmiska strålningen består som sagt av partiklar, och när dessa med hög hastighet träffar atmosfären så krockar de med partiklar i atmosfären. Energin i dessa kollisioner är väldigt hög. Einstein formulerade i sin berömda formel E=mc² att massa och energi egentligen är samma sak, och enligt den principen omvandlas energin i kollisionen till en skur av nya partiklar. Här bildas bland annat elektroner, fotoner och myoner. De detektorer du får använda räknar dessa myoner. Myoner är tyngre släktingar till elektronerna och är relativt enkla att detektera. Flödet av myoner vid havsytan är ~100 st /m² /s.

Detektorerna består av scintillatorplattor som är kopplade till sensorer som avläser ljuspulser som bildas när partiklar med hög energi träffar plattorna. En scintillator är ett material som avger fotoner när det träffas av partiklar/joniserande strålning. Scintillatorn absorberar en del av en partikels energi och avger fotoner, oftast i form av synligt ljus. Dessa ljusblixtar fångas upp av sensorer som omvandlar ljussignalen till en elektrisk signal. Denna signal behandlas av elektroniken så att vi kan avläsa den. Sensorerna som fångar upp ljuset är hos oss av två typer. Den ena är fotomultiplikatorer (även kallade PM-rör eller Photomultiplier tubes), den tekniken kräver högspänning (över 100 V). Den andra är är en halvledarkomponent som kan omvandla ljuset till elektrisk signal utan högspänning, den klarar sig med några volt.

På Vetenskapens hus har vi tillgång till fyra olika varianter av detektorer:

Lilla-µ: en liten låda med en scintillatorplatta kopplad till en halvledarsensor. Lådorna kan kopplas ihop med varandra och placeras på valfritt sätt. Det är även tre stycken Lilla-µ som har skickas upp med ballong.
µmlan: inte en detektor, men ett interface där upp till åtta Lilla-µ kan kopplas in för att mäta förekomsten av partikelskurar.
Particle Flux Demonstrator (PFD): den har formen av ett litet rör och består av två scintillatorplattor kopplade till PM-rör. Dessa är av äldre modell och har till stor del ersatts av Lilla-µ
Tre bärbara halvstora myondetektorer i låda: de har också två scintillatorplattor kopplade till PM-rör.

Fördelen med halvledarsensorn är att den klarar det låga tryck som råder på hög höjd. Fotomultiplikatorerna måste skyddas med en vakuumtålig låda ifall de ska skickas upp till den höjden vi siktar på (minst 30 km), den höga spänningen leder till elektriska överslag när trycket sjunker.

Arbetet kommer att kretsa kring mätningar ni gör med hjälp av våra detektorer, men vi kan även jämföra med mätningar med t.ex. väderballongen.

Under 2022 års projekt fick vi möjlighet att skicka en av våra detektorer med en sondraket från Esrange.

Mer information om raketuppskjutningen och experimentett i “vårt rymdprogram”