Аянга бол байгаль дээрх хамгийн онцгой үзэгдлүүдийн нэг билээ. Бараг нэгэн зууны өмнө аянгын үүлэн дэхь хүчтэй цахилгаан орон агаар мандал дахь электронуудыг хурдасгаж, цөмийн урвалыг өдөөдөг гэж үздэг байсан. Гэхдээ эдгээр үзэгдлүүдийг туршлагаар батлахад хэцүү байсан. Тэрүаки Эното болон түүний хамтран ажиллагсад аянгаар цөмийн урвал явагдахыг анх удаа ажиглалтаар нотоллоо.
1925 онд Шотландын физикч, цаг уур судлаач Чарльз Вилсон аянга нь цөмийн урвалыг өдөөдөг байж болох юм гэсэн санааг дэвшүүлсэн. Гэвч Вилсон тухайн үеийн физикийн нөхцөл байдлаас болоод өөрийн санаа бодлыг бүрэн нотолж чадаагүй. Жишээлбэл нейтрон нь цөмийн урвалын боломжит бүтээгдэхүүнүүдийн нэг гэдэг нь одоо үед мэдэгдэж байгаа. Тиймээс эдгээр бөөмсийг аянганаас илрүүлэх нь Вилсоны саналыг нотлох баримт болно. Гэвч нейтроныг 1932 он хүртэл нээгээгүй байсан.
Аянга нь агаар мандлын хамгийн бага нягттай давхрагад тохиолддог. Эдгээр давхаргууд дахь электронууд нь агаарын молекулуудтай байнга мөргөлдөж, улмаар хүчтэй чирэх (үрэлтийн) хүчинд өртдөг. Вилсоны саналыг батлахад энэхүү хүчийг даван туулахуйц хангалттай их анхны энергитэй электронууд шаардлагатай. Одоо үед сансрын туяа агаар мандалд тусан, аянгын үүлэнд их энергитэй электронуудын бөөгнөрөлийг үүсгэдэг болохыг бид мэдэх билээ. Харин 1920-иод оны дунд үед сансрын туяа нь маш нууцлаг байсан бөгөөд түүнийг дэлхийгээс үүсэлтэй гэж үздэг байв.
Анх 1985 онд аянганаас нейтроныг илрүүлжээ. Эдгээр ажиглалтыг Гималайн нурууны аянганы маш өндөр идэвхжилттэй (ойролцоогоор өдөрт 30 удаа аянга цахилдаг) мужид хийжээ. 1990-ээд оны сүүл үеэс эхлэн дэлхийн даяархи бусад олон тооны судалгаануудаас статистикийн хувьд чухал ач холбогдолтой аянганаас үүссэн нейтронуудын мэдээллийг олж авсан. Гэсэн хэдий ч детекторууд нь электрон болон фотонууд мэтийн бусад бөөмсөөс нейтроныг ялгаж чаддаггүй байв. Эдгээр 3 бөөм нь детекторт гурвуулаа ижил цахилгаан гүйдлийн дохио илгээдэг.
Анх аянганаас бий болсон нейтронуудыг аянгаар үүсгэгдсэн плазмд дейтерийн хоёр цөм нэгдэн гелийн цөм, нейтрон үүсгэх цөмийн урвалаар үүсдэг гэж үздэг байлаа. Гэсэн хэдий ч ийм плазм дахь физик нөхцөл нь энэ урвал явагдахыг зөвшөөрөхгүй болохыг хожим харуулсан.
Аянгын үүлэн дотор үүссэн их энергитэй электронуудын бөөгнөрөлөөс рентген туяа болон гамма цацраг цацардаг. 1980-аад оны сүүл үеэс эхлэн эдгээр фотонуудыг газар дээр ба аянгын үүл дотор нисч байгаа нисэх онгоцоор, мөн хиймэл дагуулаар (ойролцоогоор дэлхийн гадаргаас 500 километр зайд) бүртгэн авсан. Эдгээр фотонууд хэдэн зуун МегаэлектронВольт (МэВ) хүртэл энергитэй байна.
Зураг 1 | Аянгаар өдөөгдсөн цөмийн урвал. Эното болон түүний хамтран ажиллагсад агаар мандалд аянга нь цөмийн урвалыг өдөөдөг болохыг нотолсон. Жишээ нь аянганаас үүссэн их энергитэй гамма цацраг азот-14 цөмөөс нейтроныг суга цохин гаргаж, азот-13-ын тогтворгүй изотоп үүсгэдэг. Энэхүү изотоп нь нейтрино, позитрон ба тогтвортой нүүрстөрөгч-13-ийн цөм болон задардаг. Эцэст нь позитрон агаар мандал дахь молекулын электронтой аннигиляцид орж, гамма цацрагийн хос үүсгэх ба эдгээр гамма цацрагууд нь 0.511 мегаэлектронвольт энергитэй байна.
Их энергитэй электронууд ба 10 МэВ-ээс их энергитэй гамма цацраг нь агаар мандал дахь азот-14, хүчилтөрөгч-16 цөмүүдээс нейтроныг суга цохин гаргах боломжтой. Гамма цацрагийн хувьд фотоцөмийн урвал явагдана. Хэдийгээр аянганаас фотоцөмийн урвалаар нейтрон үүсэх боломжийг компьютерийн загварчлалаар үзүүлсэн боловч шууд туршлагын нотолгоо дутагдаж байлаа.
Нейтрон дээр анхаарал хандуулахын оронд Эното болон түүний хамтран ажиллагсад азот-14, хүчилтөрөгч-16-тай холбоотой фотоцөмийн урвалын бусад бүтээгдэхүүнүүдийг авч үзсэн. Тухайлбал тогтворгүй азот-13, хүчилтөрөгч-15 изотопууд (Зураг 1.). Эдгээр изотопууд нь нейтрино болон позитрон цацарган, хэдхэн минутын дараа тогтвортой нүүрстөрөгч-13 ба азот-15-ийн цөмүүд болон задардаг. Эцэст нь позитрон агаар мандлын молекул дахь электронтой аннигиляцид орж, гамма цацрагийн хос үүсгэнэ.
Учир нь электрон, позитрон хоёулаа 0.511 МэВ (энергийн нэгжид илэрхийлсэн) масстай, тус бүр 0.511 МэВ энергитэй гамма цацраг цацруулна. Тиймээс эдгээр фотоцөмийн урвалууд байгаа эсэхийг шалгахын тулд бүх гамма цацрагийн энергийн өргөн мужид гагцхүү ийм энергитэй шугамыг л илрүүлэх хэрэгтэй байсан.
Энэ зорилгоор Эното Япон тэнгисийн эрэг орчмын газраас аянгын үүлэнд гамма цацрагийн цацаргалтын ажиглалтыг хийсэн. 2017 оны 2 сарын 6-нд тэд аянгын цахилалтаас 1 миллисекундээс бага хугацаанд үргэлжилсэн гамма цацрагийн хүчтэй гялбааг бүртгэсэн. Эхний гамма цацраг гялбасны дараа тэд 0.511 МэВ энергитэй, удаан үргэлжилсэн (1 минут гаруй үргэлжилсэн) гамма цацрагийн шугамыг ажиглажээ. Энэ шугам электрон-позитроны аннигиляци болж буйг илтгэх ба ийнхүү аянгаар фотоцөмийн урвал явагддаг болохыг маргаангүй батлан харуулсан.
Эното болон түүний хамтран ажиллагсдын нээлт нь агаар мандал дахь изотопуудын өмнө нь мэдэхгүй байсан байгалийн эх сурвалжийг (сансрын туяанаас гадна) нээснээрээ чухал ач холбогдолтой. Эдгээрт азот-15, нүүрстөрөгч-13, нүүрстөрөгч-14 изотопууд орно. Нүүрстөрөгч-14-ийг археологийн олдворууд болон урлагийн бүтээлүүдийн насыг тогтооход өргөн ашигладаг. Үнэндээ аянга болон сансрын туяанаас үүссэн нүүрстөрөгч-14 нь зарим мужид төстэй байж болох юм. Цаашдын судалгаагаар аянганаас үүсэх бусад изотопуудыг (устөрөгч, гелий, бериллий) шалгах хэрэгтэй.
Аянгаар өдөөгдсөн цөмийн урвалууд Бархасбадь, Сугар зэрэг бусад гаригуудын атмосферт тохиолдож болох ба эдгээр атмосферуудын изотопын бүрэлдэхүүнд өөрийн гэсэн хувь нэмэр үзүүлж болох юм. Гэвч үүнийг тодорхойлоход эдгээр гаригууд дээрх аянганаас үүссэн гамма цацрагууд, нейтронуудын нарийвчилсан ажиглалт шаардлагатай. Энэхүү нээлтээс нейтрон нь аянгын үүсгэсэн плазмын гадна үүсдэг гэсэн бас нэгэн дүгнэлт гарч байна. Бидний таамагласнаас ялгаатай нь эдгээр нейтронууд плазмын талаар мэдээлэл өгөх боломжгүй болох нь харагдаж байна.
Эх сурвалж: https://www.nature.com/articles/d41586-017-07266-w
Хянасан: ФТХ-ийн Эгэл бөөм, цөмийн физикийн салбарын ЭШТА, академич Р.Тогоо
Мэдээ бэлтгэсэн: ФТХ-ийн Эгэл бөөм, цөмийн физикийн салбарын ЭШДэдА Т.Тулгаа