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  1. 2009.02.01 UHECR의 물리 - extensive air shower(1)

UHECR의 물리 - extensive air shower

초고에너지의 우주입자가 지구 대기로 들어오게 되면 어떤 일이 일어날까요? 어떤 현상을 어떻게 관측할 수 있다는 것인지 궁금하지 않으세요? ^^

오늘은 UHECR의 물리에 대해서 이야기 할 생각입니다. 그 중에서도 우주 입자가 대기에 들어왔을 때 일어나는에 대해서 설명할게요.

지구 대기는 지구에 존재하는 생명체의 생존에 필수적인 산소뿐만이 아니라 다양한 것들이 섞여 있다고 배웠습니다. 기억을 더듬어 보면 질소, 산소. 아르곤, 이산화탄소, 수증기 등이 공기를 이루고 있습니다. 높은 에너지를 가지고 있는 우주 입자(UHECR)는 지구 대기로 들어오면서 이러한 분자들과 충돌을 피할 수 없습니다.

이 충돌로 인해 생긴 2차 입자는 역시나 에너지가 높아 또 다시 대기의 다른 분자와 충돌하여 새로운 입자를 생성하게 되고 이 과정이 반복적으로 진행되어 마치 폭포수처럼 그 줄기가 증가하게 됩니다. 이 모습이 샤워기에서 물줄기가 떨어지는 것과 비슷하다 하여 extensive air shower라고 부릅니다.




수많은 2차 입자들이 생성되는 과정은 크게 둘로 볼 수 있습니다. 강입자가 생성되는 과정과 전자기입자가 생성되는 과정입니다. 입자의 분류에 대해서는 LHC 에 대한 글을 쓸 때 언급하였으니 그 글을 봐주세요.

우주 입자를 양성자라고 가정해보아요. 에너지가 큰 양성자가 지구 대기에 들어오면서 대기 상층부에 있던 질소와 충돌을 합니다. 이 과정에서 가장 많이 생성되는 입자는 파이온(pion)이라는 강입자입니다.

파이온은 전하의 종류에 따라 세 가지가 있는데 전하를 갖고 있는 파이온은 붕괴 시간이 그래도 조금 길어서 붕괴하기 전에 다른 입자와 충돌하여 또 다른 입자를 생성하고 이 과정이 계속 반복됩니다. 이와 같은 과정을 통해 생긴 것을 'hadronic shower'라고 합니다.

중성의 파이온의 경우에는 다른 입자와 충돌하기 전에 광자를 내면서 붕괴해 버립니다. 이 광자는 에너지가 매우 높기 때문에 전자와 양전자 쌍을 만들어 내고 이것은 또 다시 광자로 변하기도 합니다. 이런 과정이 반복되어 shower가 형성되고 이를 'electromagnetic shower'라고 부릅니다.

다 똑같이 EAS인데 반응 과정의 특징으로 이름을 나누어 부른 것 뿐이니 너무 복잡하게는 생각하지 마시고 아 그냥 처음에 들어온 우주 입자 때문에 2차입자가 생기고 이것이 또 다른 입자를 만들어 내어 결국에는 폭포수처럼 입자가 쏟아져 내린다고 생각하시면 됩니다. :)




또한 이렇게 생기는 광자 말고도 이 과정 중에 빛이 나오게 됩니다. fluorescence light이라고 부르는 것입니다. 에너지가 높은 입자가 대기 중 분자를 때리면 이 분자는 에너지를 얻고 들뜨게 되죠. 모든 것은 안정된 상태를 유지하기를 좋아하니 들뜬 입자는 원래의 상태로 가려고 할 겁니다. 그러면서 받은 에너지만큼을 fluorescence light이라고 부르는 자외선 영역대의 빛으로 내보내게 됩니다.

첫 시작은 단지 하나의 양성자였지만 지상에서 관측하게 된다면 수많은 입자들이 광범위한 영역에 떨어지는 것으로 보입니다. 그리고 대기 중에서는 그 때 발생한 빛이 있겠지요. 이런 것들을 관측하는 것이 UHECR을 관측한다,라고 말하는 일인 것입니다. 이러한 현상을 관측하는 방법과 원리, surface detector(SD)와 fluorescence detectro(FD)에 대해서는 다음 번에 다루도록 하겠습니다.

바로 다음 포스팅은 오늘 이야기하지 못한 UHECR의 물리 2탄!

우주 입자가 광할한 우주 공간을 날아오면서 생길 수 밖에 없는 일에 대해 이야기해 보아요.:)


*이미지출처
지구대기그림
http://www.williamsclass.com/EighthScienceWork/Atmosphere/EarthsAtmosphere.htm
EAS 그림 http://www.telescopearray.com/outreach/detect2.php



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Comment 1 Trackback 0
  1. StarLight 2011.01.30 18:07 address edit & delete reply

    QED 상호작용 이군요 :D

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