우주선

우주선(cosmic ray)은 우주에서 날아온 고에너지의 각종 입자 밎 그들이 지구 대기와 충돌하여 만들어낸 입자들을 가리킨다. 우주선의 99%는 원자핵이고 1% 정도는 전자이다. 원자핵 중에서도 90% 정도가 양성자이고 9%는 헬륨의 원자핵인 알파입자이며 이밖에 리튬, 베릴륨, 붕소 등의 원자핵으로 구성되어 있다.

우주선의 기원에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 우주선의 상당 부분은 초신성에서 오는 것이 밝혀졌으나 이들이 전체 우주선 중에서 차지하는 비율이 얼마인지는 모른다. 이밖에 활동은하핵(active galactic nucleus)에서 오는 우주선도 있을 것으로 생각되고 있다.

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그림 1. 우주선의 에너지 스펙트럼 ()

우주선을 가장 처음 발견한 사람은 오스트리아의 헤스(V. Hess, 1883-1964)이다. 그는 1912년에 열기구를 타고 5300미터 높이까지 올라가 실험을 했는데 올라갈수록 대기 중에 이온이 많아지는 것을 발견하였다. 5300미터에서 대기의 이온화 비율은 지상에 비해 네 배에 달했다. 이것은 이온화의 근원이 지구가 아니라 우주라는 것을 말해준다. 또한 일식이 일어났을 때의 실험을 통하여 태양에 의해 이온화가 일어나는 것도 아님을 밝혔다. 1920년대에 밀리컨(R. Millikan, 1868-1953)은 이온화를 일으키는 근원이 대부분 우주에서 오는 감마선일 것으로 추측하여 우주선(cosmic ray)으로 명명하였다. 그러나 1930년대까지 여러 사람들의 관측을 종합한 결과 우주선은 광자가 아니라 대부분 양성자라는 것이 밝혀졌다. 헤스는 우주선을 발견한 공로로 1936년에 노벨 물리학상을 수상하였다.

우주선 입자는 10MeV에서 10GeV 정도의 에너지를 가진 것이 대부분이지만 믿을 수 없을 정도로 매우 높은 에너지를 가진 것도 발견된다. 에너지가 @@NAMATH_INLINE@@3\times 10^{20}@@NAMATH_INLINE@@GeV에 달하기도 하는데 이런 입자는 오마이갓(Oh-My-God) 입자라고 부른다. 이 에너지는 야구공이 시속 100km/h의 속력으로 움직일 때 갖는 에너지에 해당한다. 인간이 입자가속기로 만들 수 있는 입자의 최대 에너지가 2016년 현재 13TeV(=13000GeV)임을 고려하면 오마이갓 입자의 에너지가 어느 정도인지 짐작할 수 있다. 그림 1은 단위 면적 당 우주선의 입사율을 에너지에 따라 그린 것이다. 이를 표로 간단히 정리하면 표 1과 같다.

우주선은 일차우주선과 이차우주선의 두 종류로 나눌 수 있다.

그림 2. 일차우주선이 대기와 충돌하여 이차우주선이 생성되는 예 ()

일차우주선(primary cosmic ray)은 우주선 중에서 지구 바깥에서 직접 날아오는 입자들을 뜻한다. 이들은 대부분이 태양계 바깥의 우리 은하나 외부 은하에서 오는데, 위에서 기술한 바와 같이 99%는 원자핵이고 1% 정도는 전자이다. 원자핵 중에서도 90% 정도가 양성자이고 9%는 헬륨의 원자핵인 알파입자이며 이밖에 리튬, 베릴륨, 붕소 등의 원자핵으로 구성되어 있다. 일차우주선은 그림 2와 같이 지구 대기와 충돌하여 이차우주선을 만들어낸다.

일차우주선이 질소, 산소 등 지구 대기에 있는 원자와 충돌하면 우주선 입자의 에너지에 따라 여러 종류의 수많은 입자들을 생성한다. 이들을 이차우주선(secondary cosmic ray)이라 한다. 생성되는 입자들로는 양성자, 알파 입자, 광자, 중성자, 전자, 뮤온, 파이온, 케이온, 중성미자 등이 있다. 이들은 다시 다른 입자와 충돌하여 더 많은 입자를 만들거나 다른 입자로 붕괴하면서 점차 에너지를 잃는다. 궁극적으로 지상에는 뮤온이나 전자, 광자, 중성자 등의 형태로 도달한다.