Környezeti háttérsugárzás mérése Kísérleti beszámoló Készítették a mérőcsoport tagjai: Fischer Katalin Belvárosi I. István Középiskola Bugát Pál Tagintézménye Jéhn János A Ciszterci Rend Nagy Lajos Gimnáziuma és Kollégiuma Székesfehérvár Pécs Iván-Csáfordjánosfa-Csér- Németh Árpád Pusztacsalád Községi Önkormányzatok Általános Iskolája Iván Péterfi Enikő Ágnes Puskás Tivadar Fém- és Villamosipari Szakképző Iskola és Kollégium Szombathely Zsidi Erika Csertán Sándor Általános Iskola és Óvoda Alsónemesapáti Ratkai Ferenc Kürt Alapítványi Gimnázium Budapest
Bevezetés Egy kitűnő kezdeményezés, a CERN-i fizikatanár-továbbképzés keretében kapott, közelebbről meg nem határozott feladatunk a környezeti háttérsugárzás mérése volt az út során. A háttérsugárzás szűkebb, földi, és tágabb, kozmikus környezetünkből szüntelenül, minden irányból, időben és térben változó, de általában kicsiny intenzitással áramlik felénk. Ez így volt mindig is az emberiség története folyamán, ebben nincs is semmi különös, talán csak az, hogy még manapság is ez meglehetősen kevéssé él az emberek tudatában. Utunk során ebből a hatalmas sugárzás-óceánból gyűjthettünk mintát további elemzés céljából. A háttérsugárzás tehát jelen van a mindennapjainkban és mégis igen kevés szó esik róla, a fizika tananyagban és az élet egyéb területén egyaránt. Az emberek többsége éppen ezért nem sokat tud arról, hogy mi is ez a sugárzás, honnan ered és milyen hatásai lehetnek szervezetünkre. A háttérsugárzás földi eredetű komponense származhat természetes, vagy mesterséges forrásból. Az egyik párhuzamos mérőcsoport feladata volt pl. a talajból, illetve az épületek falából származó radioaktív radon gáz által okozott sugárzás mérése. Mesterséges eredetű radioaktivitással manapság, az atomkísérletek befejeztével elsősorban orvosi diagnosztikai, illetve terápiás centrumokban találkozhatunk természetesen csak megfelelően indokolt esetben, precíz kockázatelemzés után. A kozmikus sugárzás a Földön kívülről származó nagyenergiájú részecskékből áll. Előfordul benne gamma-foton, elektron, proton, alfa-részecske és más atommag is. Ezeknek a részecskéknek az energiája 20 nagyságrendet fog át. A felszínt elérő kozmikus sugárzás fluxusa a részecskeenergiák köbének a reciprokával arányos, ezért a légkör alján igen ritkán észlelhető igen nagy energiájú részecske. A rendkívül széles energiaspektrumot a különböző eredet magyarázza. A kozmikus sugárzás származhat a Nap nagyenergiájú folyamataiból, Tejútrendszerünkből, de akár a legtávolabbi extragalaxisokból is. 2
Az elnevezést indokló nem földi eredetet Victor Franz Hess osztrák fizikus (*1883, 1964) bizonyította 1912-ben, amelyért 1936ban megosztott fizikai Nobel-díjat kapott. Társával együtt jelentős kockázatot vállalva légballonokon több mint 5000 méteres magasságba vittek fel elektrométereket. A töltésvesztés sebességét mérve 1000 méterig valóban azt tapasztalta, amit akkoriban a fizikusok többsége igaznak tartott, hogy a sugárzás csökken a magassággal. Mivel felfelé egyre nagyobb intenzitást észlelt, ez tarthatatlanná tette azt a hipotézist, hogy a földkéreg kisugárzása okozza a jelenséget. Pierre Victor Auger (*1899, 1993), a CERN létrehozásában is fontos szerepet játszó francia fizikus 1938-ban az Alpok magaslatain egymástól néhány méterre elhelyezett műszereivel egyidejű részecskebecsapódásokat észlelt. Arra következetett, hogy ezek egyetlen, nagy energiájú részecskétől származnak, amely a légkör atommagjaival ütközve rengeteg másodlagos részecskét, ún. részecskezáport hozott létre. Az első kozmikus légizáporészlelése tiszteletére róla nevezték el a két telephelyű (Argentina, Pampa Amarilla, Malargüe város mellett, USA, Milliard County, Utah), ultranagy energiájú (>10 19 ev) kozmikus sugárzás vizsgálatára alkalmas műszeregyüttessel rendelkező obszervatóriumot. Csak a publikálás idejében maradt el tőle némileg a felfedezésben az akkor Manchesterben élő Jánossy Lajos fizikus. A közvetlenül ezt követő időszakban, a megfelelő teljesítményű részecskegyorsítók hiányában a kozmikus sugárzás tanulmányozása fontos kutatási területté lépett elő. Így találták meg pl. a pozitront (1932) és a müont (1936). Később pedig az elfogadott elméleti előrejelzésekkel össze nem egyeztethetően nagy energiájú kozmikus részecskék észlelésének magyarázata foglalkoztatta a tudósokat. Kenneth I. Greisen amerikai (USA), Georgij Tyimofejevics Zacepin (*1917) és Vagyim Alekszejevics Kuzmin (*1937) orosz fizikusok ugyanis kiszámolták (1966), hogy egy 5 10 19 ev-nál nagyobb 3
energiájú, kozmikus eredetű részecske átlagosan 20 millió fényév megtétele után lép kölcsönhatásba a mindenütt jelenlévő mikrohullámú háttérsugárzás egy fotonjával, s ennek következtében energiájának mintegy negyedét elveszíti. A Föld kozmikus környezetében ennél csak jóval nagyobb távolságra ismernek olyan csillagászati objektumokat (a legközelebbi a kb. 60 millió fényévre lévő Virgo-halmazbeli M87 aktív galaxis centruma), amelyek ekkora energiára gyorsíthatnák fel a részecskéket, ennek ellenére megfigyeltek ilyeneket, ezért a jelenséget felfedezőik nevének kezdőbetűiről GZK-paradoxonnak is nevezik. Előkészületek A háttérsugárzás mindenütt megtalálható, ezért igyekeztünk annak szélsőséges értékeire vadászni. Az egyik korábbi mérőcsoport beszámolójából kitűnt, hogy a legnagyobb változást valószínűleg a tengerszint feletti magasság növekedésével tapasztaljuk majd. Egyik fő célunk ennek pontosabb kimérése volt. Azt is olvashattuk, hogy a CERN alagútjában nem sikerült mérniük, s ezt javasolták a későbbi csoportok egyik céljának. A működő LHC-val túl sok reményünk nem volt arra, hogy ezt is megvalósítsuk, de egy váratlan leállás ezt is lehetővé tette. Előre nem tudtuk hol lesz alkalmunk használni az út során, ezért elhatároztuk, hogy ha kézhez kapjuk, a hitelesített műszert mindig készenlétben tartjuk. Álmodoztunk geológiai törésvonalak bányák, források, sziklák, menti, meddőhányók, folyók, tavak, atomerőművek közelében végzendő mérésekről. Természetesen a fúziós kísérlet, s a CERN területén is terveztünk méréseket. Többünknek a műszerpark bővítését célzó számos sikertelen 4
próbálkozása után Fischer Katalin mentette meg a helyzetet azzal, hogy elhozta az iskolájukból az útra a GM-számlálót. Volt olyan oktatási intézmény, ahol jobbnak látták, ha a GM-cső továbbra is felbontatlanul a dobozában marad, s olyan is akadt, ahol kinevették az érdeklődő csapattagot, s biztosították arról, hogy ott nincs, s nem is lesz doziméter... GPSvevőt Németh Árpád tudott szerezni. A mérőműszerek Típus Főbb adatok Kép 10 nsv/h 1 Sv/h FH40 G-10 ESM gyártmányú 30 kev 4,4 MeV proporcionális számláló Hitelesítés: 2010. 05. 11. 5135.30-as G M számláló, AP 5125.25-ös G M csővel WayteQ x920bt GPS, IGO 8.3.4 szoftverrel Állítható előfeszítés: 200 V 600 V Mérésidő: 1 s, 10 s, 100 s, folyamatos Kijelző méret: 5" Érintőképernyős TFT LCD Kijelző felbontás: 480 x 272 Processzor (CPU): Dual Core 500 MHz, SiRF Atlas IV GPS-vevő: Atlas IV, (40 csatorna) A mérések A könnyen hordozható, stabil tokozású dozimétert a csoport minden tagja használta, az alkalomra várva szinte mindig ott lógott valamelyikünk nyakában. Ági rendszerint Katival, Erika Árpival alkotott mérőpárost. Folyamatosan bekapcsolva tartani egészen az utolsó napig 5
nem mertük, hiszen nem tudtuk, mennyit bír ki az elem, s a Mont Blancon mindenképpen akartunk vele mérni. Általában legalább 5 perc beállási időt kivárva, fél percenként mértünk hatot, az értékeket vagy rögtön Jéhn Jani laptopjával, vagy átmenetileg, papíron rögzítettük. Feljegyeztük a mérés helyét, idejét, a GPS adatokat, ha voltak. Több mérés helyét utólag határozta meg Németh Árpi a Google Earth program segítségével. A műszer beállításai adottak voltak, azon túl sok mindent nem tudtunk változtatni, lényegében csak a hangjelzést lehetett ki-, vagy bekapcsolni, s a dózisértékeket törölni. Gyorsan változó sugárzási környezet esetén a kijelzőn leolvasható érték nyilván nem pontos, ekkor a maximális, illetve az átlagos érték jelenthet támpontot. Hitelesnek tekinthető mérést a 400-as beütésszám elérésével lehetett végezni. Természetesen tudományos alaposságú vizsgálatot nem végezhettünk, már csak azért sem, mert soha nem tudtuk előre, hogy mennyi időnk lesz rá, éppen ezért statisztikai elemzést sem végeztünk, de talán így is sok érdekességről számolhatunk majd be a diákjainknak, csakúgy, mint egy demonstrációs kísérlet elvégzése után. Részletes leírást az interneten a műszerről nem találtunk, de alapadatokat igen, s a beszerezhető kiegészítők listája is figyelemre méltó hosszúságú. Némi zavart okozott számunkra az, hogy a műszert natural background rejection -nel reklámozzák, ami olyasmit is jelenthet, hogy éppenséggel elnyomja bizonyos mértékig az általunk mérni kívánt természetes eredetű háttérsugárzást a mesterséges eredetű gamma-források javára. De lehet, hogy ez csak a kiegészítőkre vonatkozik. A G M számláló használata körülményesebb volt, azt mindig gondosan ki, és el kellett csomagolni. A Kótyuk Marcival kibővített mérőcsoport (ő máskor is betársult hozzánk) előbb egyik este megismerkedett a működésével, majd megvitattuk, hogy milyen mérési célt is tűzhetnénk ki. Arra jutottunk, hogy ugyan a G M cső az alfa és a béta sugárzásra is érzékeny, mégis, az előbbit leárnyékoló kupak használatával talán találunk valami arányosságot a két műszer által mutatott értékek között. A dózismérőről tudtuk, hogy egy teljes félgömbben, tehát 2π szteradián térszögben, ráadásul nagyjából egyenletesen érzékeny, de a G M számláló megfelelő adatát nem ismertük. Sejtettük, hogy az sokkal kisebb térszög lehet, de arányítani 6
talán így is érdemes az értékeket. Eredmények A nyers és a feldolgozott mérési eredmények a mellékelt excel munkafüzet első munkalapjában találhatók. A doziméter által mutatott gammasugárzás értékeket és a G M számláló béta gamma együttes értékeit Fischer Kati hasonlította össze a második munkalapon. arányosságokat, Talált de ezeket hatékonyan felhasználni nem tudjuk, hiszen ahogyan azt meg is állapította, azok valóban csak egy adott helyen és limitált időintervallumban lehetnek érvényesek. Valami olyasmit szerettünk volna, hogy iskolájában csak a G M számláló használatával is tudjon valamit mondani arról a diákoknak, hogy az átlagos háttérsugárzási értékekhez képest (az 1 ms/év természetes eredetű terhelésnek nagyjából 115 ns/h felel meg) éppen mennyit mutat a műszer. Értékelése szerint jóval több párhuzamos mérés pontosítaná a képet. A dózisteljesítmény tengerszint feletti magasságtól való függését a harmadik munkalapon szemléltetjük. Nincs értelme lényegesen eltérő földrajzi helyekről származó mérési adatok összehasonlításának, azonban ezeket mégis benne hagytuk, hogy legyen elegendő pont a diagramhoz. A trend az így is látszik. Kihagytuk viszont a feltehetően különleges helyekről, vagy eseményekből származó értékeket, tehát a föld alatti, a lineáris gyorsító melletti méréseket, illetve a kozmikus záporoknak tulajdonítható eseményeket. Így is szemmel láthatóan nagy a szórás kis magasságoknál a jelentős földrajzi koordinátakülönbségek, a kilátónál pedig a sugárzás időben is valóban nagymértékű ingadozása miatt. A korrelációs együtthatóra így nem túl nagy, 0,84-es érték adódott. Az excel a polinomillesztés választásával is nagyjából egyenest illesztett a pontokra. 7
Próbálkoztunk mind Lausanne-ban, a TCV környékén, mind a CERN hatalmas területén, a meglátogatott számos helyszín mindegyikén valami különleges sugárzási esemény észlelésével tegyük hozzá szerencsére nem sok sikerrel. Messze a legalacsonyabb sugárzási szintet (34 ns/h), a számos figyelmeztető tábla és az igen komolynak tűnő biztonsági rendszerek (pl. íriszminta azonosításán alapuló beléptetőrendszer) ellenére vagy talán éppen ezért a CMS mellett állva mértünk. Érdekes módon kb. harmadával magasabb értéket mértünk a konferenciaterem hátsó részén, mint elöl. Magyarázatot nem találtunk rá, pedig G M számlálóval is kerestük az esetleges forrást, de a közeli szellőztetőnyílások mellett sem nőtt a becsapódásszám. A működés közben megtekintett lineáris gyorsítótól mindössze pár centiméterre helyezve a műszer érzékelőjét aztán akadt némi sikerélmény: a megszokott értékek majdnem százszorosát elérő számokat olvashattunk a kijelzőn (max 6000 ns/h-t). 3 m-re távolodva már ez is a tizedére csökkent. A mérés szempontjából kétségkívül legizgalmasabb eseményekre az utolsó napig, a Mont Blanc-i kirándulásig kellett várnunk. Már Chamonix-ban, Magyarország legmagasabb pontjával nagyjából egyező magasságban észleltük, hogy a sugárzás tartósan nagyobb értékű és gyorsabban is változik, mint akár pl. a CERN szintjén. A drótkötélpályán fölfelé menet aztán átszálláskor (Plan de l Aiguille) már 450 ns/h-ig szaladt a műszer. Túl sok idő itt nem volt meg- és feljegyezni az adatokat, de az látszott, hogy nagyon gyorsan megnőtt, s aztán kicsit lassabban csökkent a dózisteljesítmény. Az Aiguille du Midin Kati is mért a csoporttársakkal, de egy másik teraszon, elsodródtunk egymástól. Ekkor már nem mertem pihentetni a készüléket, mégis kénytelen voltam kétszer is újraindítani, mert a kijelzőjén rövid hangjelzés után értelmezhetetlen jelek jelentek meg. Ezután már jobban résen voltam, s az ezt 8
követően még kétszer megismétlődő riasztás után rögtön leolvastam a kijelzőn megjelenő értékeket, bár elhinni alig is akartam: szemmel 80 ms(!)/h-t láttam, de a készülék 93,6-es maximumot tárolt el, a normál érték mintegy milliószorosát! Természetesen ez az állapot csak rövid ideig tartott, így semmiféle veszélyt, vagy akár csak jelentősebb többletdózist nem szolgáltatott. Magyarázatként a kozmikus záporon kívül más nem merült fel, de ez 3800 méteren hihető is. Kíváncsiak vagyunk a légnyomást közvetlenül (Torricelli-kísérlet), és közvetve, a víz forráspontjának megállapításán keresztül mérő csoportok eredményeire, de statisztikusan ebben a magasságban a levegő sűrűsége a háromnegyede (5000 méteren már csak fele) a lentinek. Ez azt jelenti, hogy jóval nagyobb eséllyel figyelhetjük meg a nagyenergiájú kozmikus részecskék által keltett másodlagos részecskesokaságokat, a kozmikus záporokat. S hogy a felszínhez közel miért nincs erre esély? Többünk kedvenc olvasmánya, a Természet Világa Mikrovilág különszáma egy cikkében (Részecskebombák a világűrbõl) található adatok szerint a földfelszínt is elérő kozmikus záport csak legalább 10 14 ev energiájú részecske indíthat, ezekből viszont naponta mindössze 10 halad át a légkör tetejének egy négyzetméterén. Próbáltuk ellenőrizni, hogy volt-e aznap valami különleges földi, vagy űridőjárási körülmény, de nem találtunk ilyet. Ha csak az nem számít annak, hogy az adott időszakban az ragyogóan tiszta felhők alig égbolt volt, látszottak. Kicsit később, másnap, már újra tengerszinten, egy binokulárral kivetítéses módszerrel megállapíthattuk, hogy jelentősebb napfolt se látszik a Nap felénk forduló felszínén. A Spaceweather.com aznapi adatai megerősítették ezt a megfigyelést: a napfolt-relatívszámra 0-ás értéket közöltek 9
Tapasztalatok hasznosítása munkánk során Nem érdemes sokat vitatkozni azzal a véleménnyel hogy egy hőmérő, barométer, higrométer minden háztartás nélkülözhetetlen tartozéka. Szintúgy nem hiányozhat(na) egy G M számláló egy fizikaszertárból. S a mérés hetére rendelkezésünkre bocsátott, hitelesített doziméterhez hasonló eszközzel középiskolai diákokkal felhasználva az (akár külföldi) osztálykirándulásokat izgalmas, s talán hasznos méréseket lehetne végezni. Nem közismert a jelenség, s kevés adatot találni a pl. a nagy magasságokban repülő személyszállítógépek utasait, s főként a személyzetét érő sugárterhelés mértékére. Ráakadtunk egy cikkre, amely ezzel foglalkozik, de egyelőre nem fértünk hozzá: Blanco, F., P. La Rocca, and F. Riggi, Cosmic rays with portable Geiger counters: from sea level to airplane cruise altitudes, European Journal of Physics, 30, 685-695 (2009). Veszélyes sport-e ebből a szempontból a hegymászás? Mit tanácsolnak a nemzetközi űrállomáson tartózkodó űrhajósoknak a Napból származó részecskevihar esetére? Hallottak-e már arról a diákok, hogy mekkora kockázatot vállalnának egy Mars-expedíció tagjai? Több, érdekes kezdeményezés is zajlik a világban középiskolák diákjainak bevonására a nagyenergiájú kozmikus sugárzás megfigyelésébe. Az egyik ilyen a hollandiai HiSPARC: http://www.hisparc.nl/, egy másik a kaliforniai CHICOS: http://www.chicos.caltech.edu/, de a CERN Courier egy cikke (http://cerncourier.com/cws/article/cern/29604) meglepően sok egyéb kísérletet is ismertet. Talán ezek például szolgálnak, s egyszer Magyarországon is megvalósul majd valami hasonló. Tartalomjegyzék Bevezetés...2 Előkészületek...4 A mérőműszerek...5 A mérések...5 Eredmények...7 Tapasztalatok hasznosítása munkánk során...10 10