Χρονοκάψουλες κοσμικών ακτίνων. Cosmic-Ray Time Capsules

Μια νέα τεχνική προτείνεται για την μελέτη της ιστορίας των κοσμικών ακτίνων από τον Γαλαξία μας. Βασίζεται στην παρατήρηση των ιχνών που προκαλούν τα νετρίνα σε πετρώματα που βρίσκονται θαμμένα πολύ βαθιά στη Γη. A proposed technique to study our Galaxy’s cosmic-ray history involves observing the damage created by neutrinos within deeply buried rocks. Cosmic rays collide with molecules in Earth’s atmosphere, creating showers of particles that include neutrinos. The neutrinos can penetrate deep within Earth’s surface, where they may leave a cosmic-ray record in buried rocks. NSF/J.Yang

Η επιφάνεια της Γης βομβαρδίζεται συνεχώς από κοσμικές ακτίνες – υψηλής ενέργειας σωματίδια (κυρίως πρωτονίων και ελαφρών πυρήνων) – που προέρχονται από διάφορες αστρονομικές πηγές. Αν γνωρίζαμε τον τρόπο με τον οποίο μεταβαλλόταν αυτή η ροή σε χρονικό διάστημα δισεκατομμυρίων ετών, θα μπορούσαμε να αποκαλύψoυμε ενδείξεις για τις πηγές της και την εξέλιξή της. Μια ομάδα επιστημόνων πρότεινε μια μέθοδο για την ανάγνωση των υπογραφών των κοσμικών ακτίνων σε αρχαία πετρώματα που εξήχθησαν με γεωλογικές γεωτρήσεις από τα βάθη της Γης. Οι ερευνητές δείχνουν ότι τα αποτυπώματα στις κρυσταλλικές δομές που οφείλονται σε σωματίδια-προϊόντα των συγκρούσεων κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα, μπορεί να διατηρούνται στα πετρώματα για δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτές οι καταγραφές ενδέχεται να εκφράζουν τις υπογραφές αρχέγονων γεγονότων, όπως εκρήξεις σουπερνόβα στην γαλαξιακή γειτονιά μας.

Οι επιστήμονες μπορούν να ανακατασκευάσουν το ιστορικό αρχείο της ροής κοσμικών ακτίνων μετρώντας τη συγκέντρωση του ισότοπου βηρυλλίου-10 στα πετρώματα. Το βηρύλλιο-10 είναι προϊόν πυρηνικών αντιδράσεων μεταξύ κοσμικών ακτίνων και πυρήνων ατόμων της ατμόσφαιρας, αλλά δεδομένου ότι ο χρόνος ημιζωής του είναι 1.39×10⁶ χρόνια, σημαίνει ότι τέτοιες καταγραφές συνέβησαν πριν από μερικά εκατομμύρια χρόνια (μόνο).
Όμως, τα νετρίνα θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει πολύ παλαιότερες καταγραφές.

Νετρίνα παράγονται και από τις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα, και δεδομένου ότι αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στη Γη πριν συγκρουστούν με ένα άτομο που ανήκει σε βράχο βαθιά θαμμένο στη Γη. Μια τέτοια σύγκρουση μπορεί να διασπάσει το άτομο, προκαλώντας παράπλευρες μετατοπίσεις σε μορφή ιχνών κατά μήκος των οποίων πολλά άτομα στον κρύσταλλο εκτοπίζονται εξαιτίας της ανάκρουσης των πυρήνων τους.

Η ιδέα της χρήσης των ανακρουόμενων πυρήνων σε αρχέγονα πετρώματα ως παγωμένες υπογραφές των εξωτικών σωματιδίων έχει μεγάλη ιστορία. Παλαιότερα είχε προταθεί να χρησιμοποιηθούν τα αποτυπώματα των διαδρομών που οφείλονται στα νετρίνα ως καταγραφές παλαιότερων εκρήξεων σουπερνόβα. Εκτός λοιπόν από τα νετρίνα που φτάνουν απευθείας από τα σουπερνόβα στο εσωτερικό της Γης, κανείς μέχρι σήμερα δεν είχε θεωρήσει τα ίχνη σε πετρώματα ως αποτυπώματα νετρίνων που προκύπτουν από τις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα της Γης.

Οι Josh Spitz, η Ann Arbor και οι συνάδελφοί τους, με βάση τον αριθμό των «ατμοσφαιρικών» νετρίνων που δημιουργούνται από τη σημερινή ροή κοσμικών ακτίνων, υπολογίζουν ότι σε 100 γραμμάρια του ορυκτού αλογίτη (χλωριούχο νάτριο, που επιλέχθηκε ως απλό παράδειγμα πετρώματος-στόχου), ηλικίας δισεκατομμυρίων ετών, πρέπει να περιέχει περίπου 60.000 ίχνη (!) που οφείλονται σε νετρίνα.

Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει προσομοιώσεις σε υπολογιστή για να μοντελοποιήσουν το αποτύπωμα που θα αφήσουν τα νετρίνα. Τα προβλεπόμενα ίχνη έχουν μεγάλο εύρος μήκους, αλλά αυτά που έχουν μήκος 2 έως 20 ή 50 έως 1000 μικρόμετρα διαχωρίζονται από τα ίχνη υποβάθρου που παράγονται, για παράδειγμα, από τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων στη Γη ή από νετρίνα προερχόμενα από τον Ήλιο ή από κοντινά σουπερνόβα. Για να εξαλειφθεί το υπόβαθρο από λιγότερο διεισδυτικά σωματίδια, όπως τα μιόνια των κοσμικών ακτίνων, οι ερευνητές προτείνουν τη χρήση πετρωμάτων από βάθη μεγαλύτερα των 5 χιλιομέτρων. Σχεδόν κάθε ορυκτό που δεν είναι αγώγιμο μπορεί δυνητικά να σχηματίσει και να διατηρήσει ίχνη στα τεράστια γεωλογικά χρονικά διαστήματα.

Δείγμα πετρώματος με μεγάλο αριθμό ιχνών πυρηνικής ανάκρουσης που οφείλονται σε προϊόντα πυρηνικής σχάσης. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι δείγματα πετρωμάτων από γεωτρήσεις μεγάλου βάθους μπορεί να περιέχουν παρόμοια ίχνη από νετρίνα που προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα. This rock sample exhibits a large number of nuclear-recoil tracks coming from nuclear fission products. Researchers have proposed that rock samples from deep boreholes may contain similar tracks arising from neutrinos that originate in cosmic-ray interactions. A. J. W. Gleadow et al., Rev. Mineral. Geochem. 48, 579 (2002)

Οι ερευνητές δείχνουν ότι, μελετώντας δείγματα με ένα εύρος διαφορετικών ηλικιών μέσα στα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, θα πρέπει να είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ, π.χ. μιας σταθερής ροής κοσμικών ακτίνων, από μια που αυξάνεται σταθερά και μιας άλλης όπου υπάρχει ξαφνική αλλά παροδική αύξηση λόγω κάποιου κοσμικού συμβάντος.

Cosmic rays produced by high-energy astrophysics sources (ASPERA collaboration – AStroParticle ERAnet)

Προσδιορίζοντας την εξέλιξη στην ροή των κοσμικών ακτίνων μπορούν να αποκαλυφθούν πιθανές τάσεις που σχετίζονται με την τροχιά των τελευταίων (!) 250 εκατομμυρίων ετών του ηλιακού μας συστήματος γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας. Οι μετρήσεις που μας πάνε δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν, θα παρείχαν πληροφορίες για την διάδοση και την παραγωγή κοσμικών ακτίνων στο Γαλαξία μας.

Απομένει αρκετή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν από την υλοποίηση της ιδέας, λένε ο Spitz και οι συνεργάτες του. Θα χρειαστούν εργαστηριακές μετρήσεις για την επαλήθευση των μοντέλων σχηματισμού ιχνών σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα και υπάρχουν υλικοτεχνικές προκλήσεις για την συλλογή και ανάλυση δειγμάτων πετρωμάτων από γεωτρήσεις μεγάλου βάθους, προτού τα ίχνη τους μολυνθούν από την έκθεση στην επιφάνεια.

«Η γεωφυσική μέθοδος που προτείνεται εδώ θα προσφέρει έναν νέο τρόπο διερεύνησης της δραστηριότητας των κοσμικών ακτίνων», λέει ο αστροφυσικός Brian Fields του Πανεπιστημίου του Ιλλινόις. «Αυτή η δραστηριότητα θα μπορούσε να αποκαλύψει την ιστορία σχηματισμού των άστρων του Γαλαξία μας, και θα μπορούσε να συγκριθεί με άλλους γαλαξίες».

Μελέτες μετεωριτών δεν έχουν δείξει σαφή στοιχεία για οποιαδήποτε αλλαγή στη ροή κοσμικών ακτίνων σε χρονικά διαστήματα από εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια χρόνια, λέει ο αστροχημικός Rainer Wieler του ETH στη Ζυρίχη. Αλλά αυτές οι μέθοδοι δεν είναι ευαίσθητες σε βραχυπρόθεσμες αλλαγές. Η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αποφύγει αυτόν τον περιορισμό εφόσον βρεθούν αρχέγονα (χρονολογημένα με ακρίβεια) πετρώματα σε μεγάλο βάθος.

Πηγές: https://physics.aps.org/articles/v13/186 - https://physicsgg.me/2020/12/02/