Gemeten pieken aan Kosmische straling Steven Asselman V6c Zaanlands Lyceum 2010
Inhoudsopgave Voorwoord ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 02 Inleiding -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 03 Probleemstelling --------------------------------------------------------------------------------------------- 07 Analyse met behulp van weergegevens --------------------------------------------------------------- 08 Interpretatie weergrafieken. 08 Invloed regen op coïncidentiemeting 08 Invloed van zonlicht en temperatuur op coïncidentiemeting.. 11 Invloed detector op metingen --------------------------------------------------------------------------- 17 Inzichten invloed weer en detector gecombineerd ------------------------------------------------- 19 Conclusie/Discussie ----------------------------------------------------------------------------------------- 22 Bronvermelding ---------------------------------------------------------------------------------------------- 24 Pagina 1
Voorwoord Allereerst wil ik zeggen dat ik het op een zekere manier wel leuk vond om dit werkstuk te maken. Ik heb wel het idee dat ik nu beter in staat ben om een onderzoek te verrichten dan hiervoor. Er waren verschillende momenten in mijn onderzoek dat ik dacht mijn onderzoeksvraag te kunnen beantwoorden, maar nadat ik nog eens verder ging zoeken in de data of bepaalde bronnen langsging, bleek toch dat het antwoord diverse problemen opriep en daarom niet volledig kon zijn. Dat soort momenten zijn frustrerend, maar het geeft daarna wel weer extra voldoening om deze problemen ook weer op te lossen. Ik denk (en hoop) dat ik uiteindelijk toch wel een goede benadering heb kunnen geven van het antwoord op mijn onderzoeksvraag, maar zeker weten doe je dit denk ik toch nooit voor de volle 100%. Ik wil tot slot nog een paar mensen bedanken die mij hebben geholpen met dit onderzoek. Allereerst wil ik de heer Alfons Kreijtz bedanken voor zijn hulp. Hij is bereid geweest om de weerdata van afgelopen lente en zomer te sturen met daarbij ook nog een uitstekend programma om deze data in te verwerken. Zonder dit programma met de gegevens erbij was het waarschijnlijk een stuk moeilijker geworden om het effect van het weer op de detectie te analyseren. Ook wil ik nog mijn begeleider Niek Schultheiss bedanken, die zo nu en dan dingen voor mij kon uitleggen of nog eens een goede tip meegaf. Pagina 2
Inleiding De aarde wordt continu getroffen door kosmische straling. Deze kosmische straling bestaat uit deeltjes die in onze atmosfeer botsen met atomen. Hierbij ontstaat er een deeltjesregen. Slechts een klein deel van deze deeltjesregen bereikt ook daadwerkelijk ons aardoppervlak. Dit zijn de deeltjes die we bij het HiSPARC project met behulp van detectoren door heel Nederland waarnemen: de muonen. Voordat ik uitleg wat muonen zijn, zal ik eerst uitleggen wat het standaard model precies inhoud zodat we weten waar het muon nou precies staat als deeltje. Het standaard model dat in de jaren 60 en 70 is gevormd beschrijft alle materie en krachten op de zwaartekracht na. Het geeft een overzicht van de elementaire bestandsdelen van ons heelal. Met het standaard model is het in wezen mogelijk om alle gegevens die door de deeltjesversnellers worden geproduceerd, te verklaren. Het standaard model van elementaire deeltjes Pagina 3
De twee hoofdgroepen waaruit het standaard model bestaat zijn de fermionen en de bosonen. Fermionen zijn alle deeltjes waaruit materie bestaat. De fermionen kunnen weer worden ingedeeld in twee groepen die quarks en leptonen worden genoemd. Quarks zijn deeltjes met een niet-integere lading (bijv. 2/3 of -1/3). Protonen en neutronen bestaan beide uit drie quarks. De materie die wij in het dagelijks leven waarnemen bestaat vooral uit de up en down quarks en de elektronen. Quarks komen nooit alleen voor. Zo bestaan protonen uit twee up quarks en één down quark en bestaat een neutron uit twee down quarks en één up quark. De lading van het proton is dan:. Voor de lading van het neutron geldt worden hadronen genoemd.. Deeltjes die opgebouwd zijn uit quarks Leptonen zijn deeltjes met een integere lading (bijv. 1 of 0). Hieronder vallen onder andere het elektron maar ook het muon. Het muon kan gezien worden als de zwaardere versie van het elektron. Het muon behoord tot de 2 de familie van deeltjes, net zoals de charm en de strange quarks. Van de leptonen en de quarks bestaan er ook antideeltjes. Antideeltjes bezitten onder andere een tegenovergestelde lading ten opzichte van het corresponderende deeltje. Het antideeltje van een elektron is een positron en wordt genoteerd als +. Er kan ook voor gekozen worden om een antideeltje te noteren met behulp van een horizontale streep erboven. Zo word het down ( ) deeltje als antideeltje genoteerd als. Als een deeltje en een antideeltje met elkaar botsen, treedt er annihilatie op. Hierbij worden het deeltje en het antideeltje omgezet in minstens twee fotonen. Tot slot hebben we nog de bosonen, ook wel krachtdeeltjes genoemd. Deze zorgen volgens het standaard model voor de elementaire krachten. Hieronder vallen de sterke kernkracht (het gluon), zwakke kernkracht (Z 0 en W ± deeltjes) en de elektromagnetische kracht (de fotonen). Het Higgs-boson dat massa aan de deeltjes zou moeten geven is nog niet gevonden en het is daarom op dit moment van schrijven niet zeker of die wel bestaat. Pagina 4
De deeltjes van de tweede en derde generatie zullen we dagelijks in de natuur niet waarnemen. Deze deeltjes waren vlak na de oerknal nog wel volop aanwezig en worden nu nog geproduceerd bij deeltjesversnellers, waar deeltjes met hoge snelheid tegen elkaar opbotsen. Een andere plek waar deeltjes ook hard tegen elkaar opbotsen, is in onze atmosfeer. Dit gebeurt als deeltjes van de kosmische straling met hoge snelheid bijvoorbeeld tegen een stikstof of een zuurstofmolecuul opbotsen. Bij de afbeelding hieronder zien we welke deeltjes er ontstaan als een proton van een kosmisch deeltje botst met de kern van een molecuul uit onze atmosfeer. Bij de botsing van het kosmische deeltje met het molecuul uit de atmosfeer ontstaan eerst drie soorten pionen: π +, π - en π 0. Het pion is een meson. Een meson bestaat uit een quark en een anti-quark. Bij π + is dit, bij π - is het en bij π 0 is het of. Van deze drie pionen bestaat het ongeladen pion het kortst, namelijk 0,8 x 10-16 seconden. Dit komt omdat bij dit pion deeltje en antideeltje bij elkaar zijn en daarom annihileren, waarbij fotonen ontstaan. Het positieve en negatieve pion bestaan een stuk langer voordat ze verder vervallen tot muonen en neutrino s, namelijk 2,6 x 10-8 seconden. Omdat in de hierboven beschreven shower deeltjes voortkomen uit deeltjes die bestaan uit quarks, noemen we dit een hadronische shower. Naast hadronische showers zijn er ook nog elektromagnetische showers. Deze showers worden door fotonen gemaakt en bestaan voornamelijk uit elekronen, positronen en fotonen. Het grootste deel van de deeltjes die op de aardbodem terechtkomen zijn de fotonen. Daarna volgen de leptonen, met deeltjes als elektronen, muonen en misschien ook nog tau s. Ten slotte komt er ook nog een klein deel aan als hadronen, zoals protonen en neutronen. Pagina 5
Ondanks dat de muonen minder voorkomen dan de fotonen en de elektronen, leveren ze wel het grootste deel van de energie die van het kosmische deeltje afkomstig is. Muonen hebben ook namelijk een rustmassa die elektron. keer zo groot is als die van een Er komen ontzettend veel muonen op het aardoppervlak terecht. Wij zijn echter alleen geïnteresseerd in de muonen die uit dezelfde shower zijn ontstaan. Deze muonen hebben gemeen dat ze (vrijwel) tegelijk op ons aardoppervlak neerkomen. We proberen daarom alleen de muonen te registreren die tegelijk neerkomen. Als we dit niet zouden doen, dan zouden we een chaos aan hoeveelheid deeltjes meten. Als we muonen (of andere deeltjes) tegelijk detecteren, spreken we van coïncidentie. Bij het detecteren van de muonen maken we gebruik van scintillator-platen. Deze platen moeten ieder enkele meters van elkaar af worden geplaatst. Het aantal coïncidenties hangt af van deze onderlinge afstand. Als de afstand tussen de platen relatief klein is, worden er meer coïncidenties gemeten dan wanneer de afstand tussen de platen relatief groot is. Bij het detecteren van deze muonen gebruiken we daarom op zijn minst twee scintillatorplaten. Het doel van het HiSPARC project is om met behulp van de detectoren achter de herkomst van de kosmische deeltjes te komen die onze atmosfeer binnenkomen. Onderzoekers vermoeden al wel waar een deel van de kosmische deeltjes vandaan komt, maar het is voor onderzoekers nog lang niet zeker of deze vermoedens wel kloppen. Enkele plekken waar deze kosmische straling vandaan zou kunnen komen, zijn bijvoorbeeld quasars, supernova s of zwarte gaten. Pagina 6
Probleemstelling Om duidelijk te maken wat het probleem is, maak ik gebruik van onderstaande twee grafieken waarin de data te zien zijn van 20 mei 2010. De bovenste grafiek is van het St. Michaël College en de onderste van het Zaanlands Lyceum. St. Michaël College 20-05-2010 Zaanlands Lyceum 20-05-2010 Het is duidelijk te zien dat er bij het Zaanlands Lyceum een piek is tussen ongeveer drie uur s middags en half negen s avonds, terwijl er bij het St. Michaël een bijna horizontale lijn te zien is rond die tijd. Dit verschijnsel is bij meerdere dagen waar te nemen. Ik zal mij in dit profielwerkstuk richten op het verklaren van dergelijke pieken, en vooral de pieken zoals ze boven te zien zijn die in de lente/zomer ontstaan. Hierbij zal ik naar de weersomstandigheden kijken, maar ook naar de afzonderlijke detectoren en het materiaal waaruit ze bestaan. Om te weten te komen welk weertype mogelijk voor de gemeten pieken zorgt, is het natuurlijk belangrijk om ook de nodige weerdata te hebben. Ik gebruik hiervoor de weerdata van een weerstation dat ongeveer 1 à 1.5 kilometer hemelsbreed verwijderd is van het Zaanlands Lyceum en in het centrum van Zaandam ligt. Pagina 7
Analyse met behulp van weergegevens Interpretatie weergrafieken In de onderstaande grafiek is de buitentemperatuur in C, het cumulatieve aantal mm regen en de solar in Wm -2 te zien. De solar geeft aan hoeveel energie er van de zon op één vierkante meter valt. De solar geeft een goede indicatie van hoe bewolkt het is op een bepaald moment van de dag, want hoe meer bewolking, hoe minder zonlicht en dus energie het aardoppervlak kan bereiken. Uit bovenstaande grafiek blijkt dat 20 mei 2010 een heldere dag was, met zo nu en dan enige bewolking. Er is ook geen lichtblauwe lijn te zien die de regen aangeeft, dus er is ook geen regen gevallen. Invloed regen op coïncidentiemeting Dat er geen regen is gevallen op een dag is van groot belang, want dit zorgt voor een hoger gemeten aantal coïncidenties. Zo lijkt het op 9 juni 2010 het geval te zijn dat er wel degelijk een piek aan deeltjes wordt gemeten tussen 3- en 9 uur bij het Zaanlands en het Michaël: St. Michaël College 09-06-2010 Pagina 8
Zaanlands Lyceum 09-06-2010 Maar als we nu de grafiek zien van het weer van deze dag, zien we dat dit bedrog is: Precies rond de tijd dat het zo hard regent, zijn er pieken te zien bij beide grafieken. Onweer zou ook nog een oorzaak kunnen zijn voor het feit dat er pieken ontstaan, maar alleen regen voldoet ook al om pieken te laten ontstaan. Er zijn namelijk vele dagen te zien dat het regent en er tegelijkertijd ook pieken worden geregistreerd. Het is zeer onwaarschijnlijk dat het op iedere dag dat het heeft geregend ook heeft geonweerd. Pagina 9
Een ander voorbeeld van een dag waarop het heeft geregend en er een piek is te zien, is op 4 augustus: Zaanlands Lyceum 04-08-2010 St. Michaël College 04-08-2010 Ook hier kunnen we dezelfde conclusie trekken als dat we bij 9 juni deden: de regen zorgt voor de pieken gemeten bij het Zaanlands Lyceum en het St. Michaël College. Pagina 10
Invloed van zonlicht en temperatuur op coïncidentiemeting De volgende grafiek laat een dag zien waarop er minder zonlicht was en de temperatuur ook lager was: Zaanlands Lyceum 18-06-2010 Als we deze grafiek vergelijken met bovenstaande grafiek van het gemeten aantal coïncidenties bij het Zaanlands Lyceum op die dag, zien we dat er op een bewolkte dag waarbij de maximale solar op één moment van de dag slechts 500 Wm -2 is, de piek tussen 3- en 9 uur ook helemaal verdwenen is. Er wordt deze dag voortdurend rond de 2500 coïncidenties gemeten. Bij de grafiek van het Michaël College zijn uiteraard ook weer geen pieken te zien. Pagina 11
Hieronder kan een dag worden bekeken waarop het voor een groot gedeelte van de dag warmer is: Zaanlands Lyceum 06-06-2010 Als we naar bovenstaande grafiek kijken, kunnen we zien dat deze dag gemiddeld ongeveer 5 C warmer is, of zelfs nog meer. Bij de grafiek met het aantal coïncidenties kunnen we zien dat deze rond de hele dag ook hoger ligt dan de grafiek van 18 juni, zelfs als we deze grafiek voor 6 uur s avonds bekijken en het dus nog niet geregend heeft. Het is daarom erg waarschijnlijk dat de temperatuur een positieve invloed heeft op het aantal gemeten coïncidenties. Maar waarom? Als we naar de invloed van de temperatuur op de atmosfeer kijken, zou de temperatuur juist een negatief effect moeten hebben. Dit is in 1938 beschreven door Blackett. Hij beschrijft dat als de temperatuur hoger is, de luchtdichtheid op grotere hoogte toeneemt als gevolg van lucht die warmer is geworden en daardoor opstijgt. Daarmee neemt de kans op een botsing tussen een kosmisch deeltje en een deeltje uit onze atmosfeer toe op grotere hoogte, maar is die kans kleiner als we lager in de atmosfeer kijken. Hierdoor ontstaan er minder showers op lagere hoogte dan normaal en meer showers dan normaal op grotere hoogte. Aangezien de deeltjes uit de showers maar een Pagina 12
beperkte afstand kunnen afleggen, zullen er in totaal minder deeltjes hiervan ons aardoppervlak bereiken. Dit effect is niet duidelijk bij het station van het Zaanlands Lyceum terug te vinden. Eén van de stations waar dit effect wel duidelijk te zien lijkt te zijn, is bijvoorbeeld bij het Walburg College: Walburg College 22-06-2010 Ter vergelijking ook nog 27 juni, een dag waarop de solar minder schommelde en de temperatuur hoger was: Pagina 13
Walburg College 27-06-2010 Bij de grafiek van 27 juni kunnen we zien dat precies rond de tijd dat de solar toeneemt en daarmee ook de temperatuur er juist een dal aan coïncidenties ontstaat. Dit dal is ook waar te nemen op 22 juni waarbij er een ongeveer even grote solar is, maar waar de temperatuur lager is. Wat we echter ook kunnen waarnemen, is dat het aantal gemeten coïncidenties bij het Walburg College op 22 juni in de buurt van de 1400 zit en in de middag daar iets onder gaat. Op 27 juni is het aantal coïncidenties in de middaguren hetzelfde, maar als we kijken naar de tijd dat er geen solar meer wordt gemeten, zien we dat dit aantal flink hoger ligt. Dit is rond de 1750 coïncidenties. De temperatuur is op dit moment ook hoger. Het lijkt er nu dus op dat het niet de temperatuur is die het aantal coïncidenties doet dalen, maar dat het juist de solar is. Dit zouden we kunnen verklaren als we aannemen dat de temperatuur hoog in de atmosfeer weer sneller daalt, waardoor er alleen hogere temperaturen hoog in de atmosfeer bereikt kunnen worden als de solar ook relatief hoog is en blijft. De temperatuur op de aardbodem blijft echter wel voor langere tijd hoog, ondanks dat de solar er al niet meer hoeft te zijn. Deze temperatuur zou de detectoren dan weer kunnen beïnvloeden op een manier dat er meer coïncidenties worden gemeten. Op deze manier zou het toch nog de temperatuur zijn die het aantal coïncidenties doet dalen, alleen gaat het hierbij wel om de temperatuur hoger in de atmosfeer. Het Walburg College ligt echter wel dicht in de buurt van Dordrecht en het zou daarom misschien wel mogelijk kunnen zijn dat bovenstaande verklaring niet helemaal juist is. Ook heb ik maar twee dagen met elkaar vergeleken. Ondanks dat acht ik het wel waarschijnlijk dat bovenstaande theorie in grote lijnen wel klopt. Als we dit zekerder willen weten kunnen we ook nog het pulshoogtediagram erbij halen. Dit diagram kunnen we bestuderen als we de Landau-verdeling (zie volgende pagina) erbij betrekken. De piek waarboven Landau staat, ontstaat waarschijnlijk door de interactie van deeltjes als muonen met de scintillatorplaat. Is deze interactie groot, dan is de spanningspuls hoogte ook groot (dit is rechts van de Landau top ). Als de interactie klein is, is dit omgekeerd en ontstaat er een lagere spanningspuls die we enigszins links van het hoogste Pagina 14
punt van de Landau top kunnen zien. Links van de Landau-verdeling is er ook nog een stijging te zien die ontstaat door ruis. Deze ruis bestaat onder andere uit gamma-fotonen. Laten we nu eens de twee verschillende pulshoogtediagrammen van 18 en 6 juni met elkaar vergelijken: Walburg College 27-06-2010 Pagina 15
Walburg College 22-06-2010 Bij de pulshoogtediagrammen zijn twee verschillende toppen waar te nemen. De top met een pulshoogte kleiner dan ongeveer 100 mv is hier de top die gevormd wordt door ruis, dus ook door de gamma-fotonen. De top met een pulshoogte ongeveer groter dan 100 mv, is hier de top die waarschijnlijk voor een groot deel uit muonen bestaat. Als we de linkerpieken van 22 en 27 juni met elkaar vergelijken, zien we dat de piek van 27 juni significant groter is dan die van 22 juni. Dit zou dan dus betekenen dat veel van de extra coïncidenties op 27 juni afkomstig zijn uit nog eens extra ruis. Aangezien de extra coïncidenties gemeten werden bij een hogere temperatuur, is het waarschijnlijk dat de extra gemeten ruis bovenop de al gemeten gamma-fotonen, ook is ontstaan door de hogere temperatuur. Maar waarom ontstaat er door die hogere temperatuur extra ruis? Het antwoord hierop ligt zoals ik al eerder zei mogelijk bij de apparatuur waar de detector uit bestaat. Pagina 16
Invloed detector op metingen Het onderdeel dat verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de extra ruis bij hogere temperatuur, is de fotoversterkerbuis. De fotoversterkerbuis ontvangt fotonen die afkomstig zijn van de scintillator. De scintillator is de plaat die fotonen uitzendt als gevolg van fluorescentie die ontstaat als er bijvoorbeeld een muon de scintillator passeert. De fotonen komen dan via een lichtbuis in de fotoversterkerbuis terecht. Uiteindelijk is dit slechts 1% van de eerder ontstane fotonen. Deze fotonen vallen bij de fotoversterkerbuis op de fotokathode, waar vervolgens het foto-elektrisch effect optreedt en de fotonen dus zorgen voor elektronen die vrijkomen. Als we alleen deze elektronen zouden meten, zou er een signaal ontstaan dat praktisch niet te meten is. Daarom laten we de elektronen botsen met dynodes waarop een hoogspanning staat waardoor de elektronen versneld worden. Bij het botsen van een elektron met een dynode, ontstaan er 3 à 4 nieuwe elektronen. Het is daarom wel goed voor te stellen dat er na 10 botsingen tussen de elektronen en dynodes uiteindelijk erg veel elektronen zijn vrijgekomen. Deze elektronen zorgen uiteindelijk bij de anode voor een meetbaar signaal. Wat er hierbij mis kan gaan, is dat er extra elektronen uitgezonden worden als gevolg van toegevoegde warmte energie. Dit wordt ook wel thermische emissie genoemd. Deze thermische emissie kan optreden in zowel de fotokathode als bij de dynodes. Deze extra elektronen die uiteindelijk ook voor een gemeten signaal zorgen zijn niet ontstaan als gevolg van de botsing van een deeltje met de scintillator en rekenen we daarom onder de noemer ruis. Maar hoe kunnen we deze ruis zoveel mogelijk beperken? Er zijn zo al twee oplossingen te bedenken om deze ruis in toom te houden. De eerste oplossing is dat we de fotoversterkerbuis afkoelen of in ieder geval niet al te veel van temperatuur laten fluctueren. Als gevolg daarvan ontstaan er minder thermische elektronen of hebben we in ieder geval een constant aantal aan thermische elektronen, waardoor we hiermee ook geen pieken meer zullen waarnemen. Pagina 17
De tweede oplossing is dat we simpelweg meer detectoren plaatsen. Het komt namelijk veel minder voor dat er vier thermische elektronen tegelijk worden gedetecteerd dan dat er twee thermische elektronen worden gedetecteerd. Dit kunnen we goed waarnemen als we de grafieken met coïncidenties van het Sint Michaël College bekijken. Bij het Michaël staan er namelijk vier detectoren terwijl er bij het Zaanlands Lyceum slechts twee detectoren staan. Het zou heel goed zo kunnen zijn dat dit de reden is dat we bij het Michaël geen pieken waarnemen met temperatuurschommelingen en bij het Zaanlands Lyceum wel. Pagina 18
Inzichten invloed weer en detector gecombineerd We weten nu dat we waarschijnlijk drie verschillende factoren hebben gevonden die het meten van coïncidenties kunnen beïnvloeden: de regen, de temperatuur in de atmosfeer en de temperatuur van de fotoversterkerbuis. Hierbij zorgen de hogere temperatuur van de fotoversterkerbuis en de regen voor meer gemeten coïncidenties. De hogere temperatuur van de atmosfeer zorgt voor een lager gemeten aantal coïncidenties. Aangezien er twee factoren zijn die van de temperatuur afhangen, en deze effecten ook nog eens allebei een tegenovergesteld effect hebben, zou het zomaar kunnen dat deze effecten elkaar tegenwerken. Als we nog eens naar een grafiek van het Zaanlands Lyceum kijken, kunnen we dit ook enigszins waarnemen: Zaanlands Lyceum 27-06-2010 Zaanlands Lyceum 22-06-2010 Van deze twee grafieken is het effect bij de grafiek van 27 juni het best waar te nemen. Wat we op deze dag dan namelijk kunnen waarnemen, is dat er lichte daling te zien is die pas na ongeveer 11 uur s ochtends is opgehouden. Dit is het moment dat de grafiek weer licht begint te stijgen. Dat is dan ook waarschijnlijk het moment dat de detector warmer begint te worden en er meer thermische ruis optreedt, terwijl we daarvoor nog goed het effect konden zien van de temperatuur op de atmosfeer. Rond 7 uur s avonds zou er dan een piek Pagina 19
zijn ontstaan omdat beide effecten elkaar niet meer tegenwerken: de temperatuur van de fotoversterkerbuis is nog hoog, maar de temperatuur van de atmosfeer is alweer lager geworden door de lagere solar. Kijk ook nog maar eens terug naar de grafiek van het Zaanlands Lyceum die ik in de probleemstelling heb behandeld. Als we naar deze grafiek van 20 mei kijken, kunnen we ook een heel lichte daling waarnemen. Bij andere grafieken die ik niet heb behandeld, blijkt dit effect ook zichtbaar te zijn. Er is echter ook een dag waar dit niet op lijkt te gaan, namelijk 6 juni. Hierbij is wel gewoon een stijging te zien. Dit zouden we kunnen verklaren met het feit dat de solar gedurende een groot deel van de dag kleiner is. Dit is natuurlijk niet echt zeker te zeggen als we alleen naar deze dag kijken. Bovendien is er te zien dat er rond 10 uur s ochtend en eerder wel een enigszins normale solar lijkt te zijn en het aantal coïncidenties ook een beetje meestijgt. Om toch nog wat meer bevestiging te krijgen, zullen we naar een dag kijken waarop de solar nog lager is dan op 6 juni, namelijk op 15 augustus: Zaanlands Lyceum 15-08-2010 Pagina 20
Walburg College 15-08-2010 Zoals te zien is bij de weergrafiek, is de solar op deze dag duidelijk lager. De temperatuur vertoont hierdoor ook maar kleine schommelingen. Wat we tot slot ook nog net kunnen zien, is dat het iets voor twaalf uur s nachts begint te regenen. Er is hierdoor een stijging van coïncidenties te zien. Deze stijging is bij het Walburg College waargenomen omdat dit in de buurt van Dordrecht ligt en het hier waarschijnlijk eerder is gaan regenen. Bij het Zaanlands Lyceum is er rond de middag geen daling (zelfs een lichte stijging) aan coïncidenties waar te nemen. Wat echter interessanter is, is dat de daling die we bij het Walburg College waarnemen deze dag veel minder is dan op 27 juni, en iets minder is dan op 22 juni. Dit bij elkaar geeft ons weer meer bevestiging dat het effect van de solar op de temperatuur van de atmosfeer ook terug te zien is bij het Zaanlands Lyceum. Waarom er bij het Walburg College wel diepere dalen te zien zijn en bij het Zaanlands Lyceum niet, komt mogelijk door hoe de detectoren zijn gekalibreerd. Ook zou het zo kunnen zijn dat de detectoren bij de ene school meer bloot staan aan de zon dan bij de andere school. Dit zou dan ook nog weer eens op verschillende tijdstippen kunnen zijn. Bij andere scholen zijn er ook pieken met helder zomers weer waar te nemen. Soms is dit waar te nemen in de vorm van een algehele stijging gedurende de middag, en bij andere stations is dit net zoals bij het Zaanlands Lyceum een relatief sterke stijging gedurende een paar uur. Ook is er bij verschillende stations te zien dat er net zoals bij het Walburg College dalen ontstaan. Pagina 21
Conclusie/Discussie Er zijn verschillende omstandigheden die tot meer gemeten coïncidenties kunnen leiden. In mijn onderzoek zijn er daarvan uiteindelijk drie duidelijk naar voren gekomen. De eerste factor die tot meer coïncidenties kan leiden, is regen. Dit was zowel bij het station van het Zaanlands Lyceum als bij het station van het Sint Michaël College terug te zien. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat dit veroorzaakt wordt door het tikken van de regen op de detectoren. Bij grote regenval worden er namelijk meer coïncidenties gemeten dan bij weinig regenval. Onweer zou ook nog een rol kunnen spelen, maar aangezien regen vaak met onweer samen gaat, was dit niet goed te achterhalen. Waarom regen en misschien onweer tot meer coïncidenties leiden, zou dus nog beter onderzocht kunnen worden. De tweede factor die een rol speelt, is de temperatuur binnen de detector. Hierbij gaat het dan om de fotoversterkerbuis waarbij bij een hogere temperatuur meer zogenaamde thermische elektronen ontsnappen. Deze elektronen kunnen zowel bij de fotokathode als bij de dynodes ontstaan en uiteindelijk een (versterkt) signaal veroorzaken bij de anode. Omdat dit signaal niet wordt veroorzaakt door een muon, valt dit onder de noemer van ruis. Een waarschijnlijk goede manier om te voorkomen dat deze ruis tot coïncidenties leidt, is het plaatsen van meerdere detectoren. Zo staan er bij het Sint Michaël College vier verschillende detectoren en is daar nauwelijks een effect van de temperatuur op de detectoren waar te nemen. Het is namelijk relatief onwaarschijnlijk dat vier thermische elektronen tegelijkertijd een signaal veroorzaken in de afzonderlijke detectoren, dit zal wel veel eerder het geval zijn als er maar twee detectoren zijn geplaatst. De derde factor die van invloed is, is de temperatuur van de atmosfeer. Dit effect dat ook wel het temperatuureffect op kosmische straling wordt genoemd, is al eerder in 1938 door Blackett beschreven. Als de atmosfeer warmer wordt, stijgt de lucht meer op en zet die bovendien ook nog eens uit. Doordat de lucht meer uitzet, zullen er minder snel botsingen tussen een kosmisch deeltje en een deeltje uit onze atmosfeer op lagere hoogte voorkomen en ontstaan er daar dus minder snel showers. Bovendien zullen er ook nog eens showers ontstaan hoger in de atmosfeer doordat de lucht is opgestegen, waardoor er uiteindelijk minder deeltjes uit deze shower onze aardbodem zullen bereiken. Dit allebei leidt tot minder gemeten coïncidenties. Bij het station van het Zaanlands Lyceum dat twee detectoren bevat waren er op heldere zomerse dagen pieken aan coïncidenties te zien. Zo n piek was dan meestal tussen ongeveer 4 uur s middags en 8 uur s avonds te zien. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de twee factoren met betrekking tot de temperatuur elkaar tegenwerken. In de vroege middaguren was de temperatuur op aarde relatief hoog maar scheen de zon ook nog volop wat dan ook zou leiden tot een hogere temperatuur van onze atmosfeer. Het leek alsof je op deze momenten een lichte daling van coïncidenties kon waarnemen bij het Zaanlands Lyceum. Dit zou dan betekenen dat de temperatuur van de atmosfeer de overhand heeft op de temperatuur van de detector. Later in de middag of s avonds ontstaat er dan een piek aan coïncidenties omdat de temperatuur van de atmosfeer is afgekoeld, maar die van de Pagina 22
detector niet. Er moet echter wel gerealiseerd worden dat dit slechts een theorie is: er zijn namelijk ook stations waarbij pieken zijn te zien op een ander moment van de dag. Ook zijn er bij sommige stations zoals bij het Walburg College dalen te zien in plaats van pieken. Om meer inzicht te krijgen in het ontstaan van deze verschillende pieken zou onderzocht moeten worden hoe een detector gekalibreerd is, maar ook misschien de positie van de detectoren. Een detector die bijvoorbeeld de hele dag in de schaduw staat zal mogelijk minder last hebben van thermische elektronen. De kalibratie en de positie zouden dan mogelijk een verklaring kunnen geven voor het ontstaan van deze verschillende pieken bij individuele stations. Ten slotte heb ik in mijn onderzoek bewust niet het effect van de luchtdruk op het aantal coïncidenties meegenomen. Ik heb dit effect zelf namelijk niet terug kunnen vinden, maar er zijn al wel onderzoekers die beweren dat ook dit van invloed is op de coïncidentiemeting. Dat ik dit niet terug heb kunnen vinden, komt mogelijk doordat ik in mijn onderzoek alleen naar de zomer en een klein deel van de lente heb gekeken en niet over een langere periode van bijvoorbeeld jaren. Dit effect zou daarom ook nog meegenomen kunnen worden in een vervolgonderzoek. Pagina 23
Bronvermelding Internetlinks: http://www.apod.nl/ap060814_nl.html http://www.weerhaas.nl/ http://www.hisparc.nl/fileadmin/hisparc/lesmateriaal_fysica jan-willem_/shower.pdf http://www.cdbeta.uu.nl/subw/hisparc/lesmateriaal/kosmischestraling.php http://www.hisparc.nl/fileadmin/hisparc/lesmateriaal_nlt/kosmische_straling_nlt.pdf http://www.hisparc.nl/hisparc-data/data/ http://www.phy.bris.ac.uk/people/cussans_dg/cosmic-ray-muons/motz_benjamin.pdf http://hisparc.hef.kun.nl/pdf/e_george.pdf http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/standard_model_of_elementary_pa rticles.svg http://en.wikipedia.org/wiki/file:atmospheric_collision.svg http://theorderoftime.org/ned/leden/harry/uploads//site/atoom.jpg http://www.hisparc.nl/docent-student/hisparc-detector/fotoversterker-buizen/ Boeken: De ontrafeling van de kosmos Brian Greene Tien Zwaarden van Damocles Sander Boerema Pagina 24