Kolik částic kosmického záření projde naším tělem?

Každou sekundu každý den je naše Země bombardována částicemi z vesmíru. Některé z těchto částic narazí na zemskou atmosféru, čímž mohou vyvolat spršku dalších částic, zatímco jiné jen proletí a snadno projdou čímkoli, včetně nás samotných. Procházíme se tedy mořem záření, aniž to nějak cítíme. Vyvstává otázka: kolik kosmických částic vlastně naším tělem v každém okamžiku prolétá? Stručná odpověď: jsou jich tisíce bilionů (10¹⁵).

Zvěřinec částic

Nejčastějšími částicemi, které k nám proudí z vesmíru, jsou „smítka“ známá jako neutrina (značí se n). Každou sekundu námi (skrz naše tělo) podle odhadů proletí 100 bilionů (10¹⁴) neutrin. Neutrina s běžnou hmotou téměř neinteragují. Téměř všechna proletí námi i zbytkem planety, aniž zanechají jakoukoli stopu.

Neutrina vznikají při jaderných procesech. Téměř všechna neutrina, která námi prolétají, pocházejí z jaderné fúze, reakce pohánějící Slunce. Některá však vznikají mnohem dále, dokonce i v jiných galaxiích, neboť jaderná fúze pohání všechny hvězdy ve vesmíru.

Dalšími částicemi mimozemského původu, které neustále dopadají na Zemi, jsou elektricky nabité částice s vysokou energií, které se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla a přilétají ze všech směrů. Toto kosmické záření je produkováno také jadernou reakcí ve Slunci, avšak drtivá většina tohoto záření přichází z oblastí mimo sluneční soustavu. Může vznikat například při výbuších vzdálených hvězd (v supernovách), při pádu hmoty do superhmotných černých děr nebo při srážkách galaxií.

Kosmické záření tvoří převážně protony, (p⁺, jádra atomů vodíku) nebo atomová jádra těžších prvků (obsahující protony i neutrony), jako je helium či železo. Malý podíl kosmického záření tvoří také elektrony, e^– a pozitrony, e⁺ (částice antihmoty odpovídající elektronům).

Kosmické záření a atmosféra

Když primární kosmické záření dopadne na Zemi, obvykle ho zachytí molekuly vzduchu ve vysokých vrstvách atmosféry. Tyto srážky mohou vyvolat spršky sekundárních částic, které proniknou až k zemskému povrchu. Patří mezi ně miony, m^– – záporně nabité subatomární částice, které se velmi podobají elektronům, avšak jsou více než dvěstěkrát hmotnější.

Na úrovni mořské hladiny projde každou minutu každým čtverečním centimetrem plochy přibližně jeden mion. Pokud jde o tělo člověka, pohybuje se tento počet v řádu desítek až stovek za sekundu. Jen rukou každou sekundu proletí zhruba jeden nebo dva.

Jelikož jsou miony elektricky nabité, mohou interagovat s hmotou, na kterou narazí. Naproti tomu neutrina elektrický náboj nemají, navíc mají téměř nulovou hmotnost. Kvůli těmto dvěma vlastnostem je detekce neutrin velmi obtížná, a proto se jim často přezdívá „částice-duchové“.

Detekce neutrin

Pro detekování neutrin stavějí vědci úžasné obří detektory. V současné době jsou dvěma největšími JUNO – Jiangmen Underground Neutrino Observatory v Číně (20 000 tun kapalného scintilátoru v akrylátové kouli o průměru 35,4 m, umístěné 700 m pod zemí v oblasti Guangdong, spuštěný v r. 2025) a IceCube Neutrino Observatory v Antarktidě (detektor v ledu zaznamenávající Čerenkovovo záření). Je to největší neutrinový detektor vůbec, protože využívá jako detekční médium celý kubický kilometr antarktického ledu ve stanici Amundsen–Scott South Pole. Plánuje se rozšíření až na 8 km³ instrumentovaného ledu. Zaměří se na extrémně energetická kosmická neutrina.

Další slavné detektory jsou např. Super‑Kamiokande v Japonsku, DUNE v USA, Borexino v Itálii.

Jak se odhaduje počet neutrin procházejících našimi těly

Detektory zaznamenávají jen nepatrný zlomek neutrin, která se srazí s hmotou uvnitř detektoru nebo v jeho těsné blízkosti. Vše ostatní se pak odvozuje zpětně na základě těchto několika případů. Například v neutrinovép observatoři IceCube v Antarktidě obklopují krychli ledu o objemu 1 km³ tisíce světelných senzorů. Když neutrino interaguje s atomovým jádrem v ledu, vznikají rychle se pohybující nabité částice; ty pak vysílají slabý záblesk modravého Čerenkovova záření, který senzory zaznamenají. Z charakteru a jasu tohoto světla dokážeme zpětně určit energii a směr letu neutrina.

Při odhadu celkového počtu neutrin procházejících Zemí na základě těchto zaznamenaných interakcí se bere v úvahu velikost detektoru, doba jeho provozu, účinnost detekce a pravděpodobnost, že neutrino o dané energii vůbec vstoupí do interakce. Je to trochu jako odhadovat počet ryb v řece na základě několika kusů chycených do sítě s velmi velkými oky. Pokud znáte velikost sítě, dobu, po kterou byla ve vodě, a to, jak snadno jí ryby mohou proklouznout, můžete odvodit celkový stav v celé řece.

Ačkoli tedy každou sekundu procházejí biliony neutrin skrz naše těla, téměř žádné z nich neinteraguje s atomy našeho těla. Dalo by se očekávat, že za celý život dojde v našem těle nanejvýš k jedné takové interakci, možná o pár víc. Tyto vzácné interakce by na nás neměly prakticky žádný vliv. Vzhledem k tomu, jak malé množství energie by taková interakce předala, nepředstavují tato neutrina naprosto žádné zdravotní riziko.

Kosmické záření a naše těla

Naproti tomu spršky částic vznikající při dopadu kosmického záření v atmosféře mohou mít na lidský organismus určitý vliv. Na zemském povrchu mezi pronikavými nabitými částicemi, které k nám dorazí ze spršek kosmického záření, převažují miony. Ve vyšších nadmořských výškách, a zejména při letecké přepravě, se na dávce záření, kterou lidské tělo obdrží, významnou měrou podílejí i další sekundární částice, především neutrony, n.

Jakékoli účinky těchto spršek kosmického záření jsou však obecně malé. Pro průměrného člověka představuje kosmické záření zátěž zhruba 0,4 milisievertu ročně – což odpovídá několika rentgenovým snímkům hrudníku rozloženým do celého roku. Celkové přírodní radiační pozadí ze všech zdrojů (kromě kosmického záření jde o záření ze zemských hornin, potravy a zejména plynu radonu vznikajícího rozpadem přírodních radioaktivních prvků v zemské kůře) činí přibližně 2,4 milisievertu. Dávka od kosmického záření se liší v závislosti na nadmořské výšce, zeměpisné šířce a míře stínění. V běžných podmínkách na zemském povrchu nejsou miony ani jiné částice kosmického záření považovány za významné zdravotní riziko. Život na Zemi je jim vystaven od samého počátku.

Vaším tělem tedy každou sekundu prochází přibližně 100 bilionů neutrin a desítky až stovky mionů, a k tomu možná malé množství neutronů, elektronů a dalších kosmických částic vzniklých při dopadu na atmosféru. Celkově vzato jsou částice, které skrz nás proudí, neustálou připomínkou toho, že jsme součástí kosmického příběhu, který sahá až 13,8 miliardy let do minulosti.

Kosmické částice se mohou využít k řadě objevů

Vědci například využili detektory mionů k odhalení skrytých chodeb v pyramidách. Neutrina s vysokou energií nám umožňují zkoumat některá z nejbouřlivějších a jinak skrytých prostředí ve vesmíru, jako jsou oblasti v okolí černých děr, vybuchujících hvězd a dalších mocných kosmických urychlovačů. Právě proto, že neutrina interagují tak slabě, dokážou uniknout z hustých oblastí, kterými světlo možná nepronikne.

Poznámky:

Objev kosmického záření

Kosmické záření bylo objeveno díky jednomu odvážnému balónovému experimentu. Na začátku 20. století si vědci všimli, že vzduch je stále slabě ionizovaný – ale nevěděli proč. Mysleli si, že za to může radioaktivita země. Jenže měření ukazovala něco divného: čím výš člověk vystoupal, tím víc ionizace naměřil. To nedávalo smysl… až do roku 1912. Rakouský fyzik Victor Franz Hess se rozhodl problém vyřešit radikálně: vzít přístroje, nasednout do balónu a letět co nejvýš. Během několika letů vystoupal až do 5 km a zjistil, že intenzita záření skutečně roste s výškou, takže nemůže pocházet ze Země. Musí přicházet z vesmíru. Tím Hess prokázal existenci kosmického záření. Za tento objev získal v roce 1936 Nobelovu cenu.

V roce 1938 francouzský fyzik Pierre Auger zjistil, že když jediná částice s extrémní energií letící z vesmíru narazí do atmosféry, vytvoří celou kaskádu dalších částic – tzv. spršku. To potvrdilo, že kosmické záření jsou hmotné částice.

Jak se měří kosmické záření

Kosmické záření se měří buď přímo ve vesmíru pomocí detektorů částic, nebo nepřímo na Zemi sledováním spršek, které vznikají v atmosféře.

1) Přímá detekce, měření částic přímo ve vesmíru, probíhá na družicích, sondách a balónech. Detektory registrují nabité částice (protony, jádra, elektrony) přímo, ještě než narazí do atmosféry.

Používají se křemíkové detektory (měří průlet nabitých částic jako elektrický signál), scintilátory (fotodetektor zaznamenává světlo vzniklé při zásahu materiálu částicí), proporcionální a Geiger‑Müllerovy počítače (počítají jednotlivé ionizující částice) a kalorimetry (změří energii částice tím, že ji úplně zastaví). Měří se tok částic (kolik jich proletí za sekundu), energie, směr, dávka a ekvivalentní dávka (pro kosmické mise).

2) Nepřímá detekce – měření spršek v atmosféře. Když kosmická částice narazí do atmosféry, vznikne kaskáda sekundárních částic (elektrony, fotony, miony, neutrony), které lze měřit na zemi. Používá se fluorescenční detekce (sprška excituje molekuly vzduchu, ty vyzařují slabé UV světlo), Čerenkovova detekce (sekundární částice letí rychleji než světlo ve vzduchu, vzniká kužel modravého světla). To se měří buď přímo ve vzduchu, nebo v detektorech na zemi. Dále se užívá rádiová detekce (sprška vytváří krátký rádiový impuls, ten lze měřit).

3) Neutronové monitory – sledování solárního kosmického záření

Na Zemi se měří zvýšený tok neutronů, které vznikají ve sprškách. Používají se k monitorování solárních protonových událostí (např. při erupcích).

Zdroje: How many cosmic particles are passing through your body at any moment? | Live Science