โนเบล 1936: รังสีคอสมิก ฝนอนุภาคจากอวกาศ

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1936 แบ่งกันคนละครึ่ง ครึ่งแรกมอบให้ วิกเตอร์ เฮสส์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย "สำหรับการค้นพบรังสีคอสมิก" อีกครึ่งมอบให้ คาร์ล แอนเดอร์สัน นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน "สำหรับการค้นพบโพซิตรอน" สองผลงานนี้เกี่ยวโยงกัน เพราะแอนเดอร์สันพบโพซิตรอนในรังสีที่เฮสส์ค้นพบนั่นเอง

ปริศนาอากาศที่นำไฟฟ้า

ต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์สังเกตว่าเครื่องวัดประจุไฟฟ้าค่อย ๆ คายประจุเองแม้ปิดไว้อย่างดี แสดงว่ามีรังสีบางอย่างทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนอยู่ตลอด ความเชื่อในตอนนั้นคือรังสีมาจากธาตุกัมมันตรังสีในหินและดิน ถ้าเป็นเช่นนั้นรังสีควรลดลงเมื่อขึ้นไปสูง แต่ เทโอดอร์ วูล์ฟ ที่วัดบนยอดหอไอเฟลในปี ค.ศ. 1910 กลับพบว่ารังสีลดลงน้อยกว่าที่คาดมาก

บอลลูนของเฮสส์

ในปี ค.ศ. 1911 ถึง 1912 เฮสส์ขึ้นบอลลูนพร้อมเครื่องวัดหลายเที่ยว เที่ยวที่สำคัญที่สุดคือวันที่ 7 สิงหาคม ค.ศ. 1912 ซึ่งขึ้นไปได้สูงราว 5,300 เมตร เขาพบว่ารังสีลดลงเล็กน้อยในช่วงแรก แต่เมื่อสูงเกินราวหนึ่งกิโลเมตร รังสีกลับเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนที่ความสูงสุดมีมากกว่าที่ระดับพื้นดินหลายเท่า เขาสรุปว่ารังสีที่ทะลุทะลวงสูงมากนี้เข้ามาจากนอกบรรยากาศ

เฮสส์ยังขึ้นบอลลูนในตอนกลางคืน และในวันที่ 17 เมษายน ค.ศ. 1912 ระหว่างที่ดวงจันทร์บังดวงอาทิตย์เกือบหมด รังสีไม่ได้ลดลงเลย แสดงว่าแหล่งหลักของรังสีไม่ใช่ดวงอาทิตย์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1925 โรเบิร์ต มิลลิแกน ตั้งชื่อว่า "รังสีคอสมิก" ซึ่งเป็นชื่อที่ชวนเข้าใจผิดอยู่บ้าง เพราะภายหลังพบว่ามันส่วนใหญ่เป็นอนุภาคมีประจุ ไม่ใช่รังสีแบบแสง ราวร้อยละ 90 เป็นโปรตอน ราวร้อยละ 9 เป็นนิวเคลียสฮีเลียม ที่เหลือเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า

ฝนอนุภาคในบรรยากาศ

อนุภาคจากอวกาศแทบไม่มีตัวไหนลงมาถึงพื้นโดยตรง เมื่อมันชนนิวเคลียสในบรรยากาศชั้นบน พลังงานจะแตกออกเป็นอนุภาคใหม่จำนวนมาก แต่ละตัวชนต่อเป็นทอด ๆ กลายเป็นฝนอนุภาคที่แผ่กว้างหลายตารางกิโลเมตร สิ่งที่ถึงพื้นส่วนใหญ่คือมิวออน ซึ่งผ่านตัวเราราวหนึ่งตัวต่อตารางเซนติเมตรต่อนาที

รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงที่สุดเท่าที่เคยวัดได้ตรวจพบในปี ค.ศ. 1991 มีพลังงานราว 3 × 10²⁰ อิเล็กตรอนโวลต์ หรือราว 50 จูล

เทียบเท่าพลังงานของลูกเบสบอลที่ขว้างด้วยความเร็วราว 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่อัดอยู่ในอนุภาคเดียวที่เล็กกว่าอะตอม นักฟิสิกส์ตั้งชื่อเล่นว่า "อนุภาคโอ้มายก็อด" แหล่งกำเนิดของอนุภาคพลังงานสูงขนาดนี้ยังเป็นคำถามที่เปิดอยู่

แอนเดอร์สันกับปฏิสสาร

ในปี ค.ศ. 1932 แอนเดอร์สันถ่ายภาพรอยทางของอนุภาคจากรังสีคอสมิกในห้องหมอกที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก แล้วพบรอยทางที่โค้งไปในทิศของประจุบวก แต่มีมวลเท่าอิเล็กตรอน นี่คือโพซิตรอน ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน ที่ พอล ดิแรก ทำนายไว้จากทฤษฎีไม่กี่ปีก่อนหน้า เป็นหลักฐานแรกว่าปฏิสสารมีอยู่จริง แอนเดอร์สันได้รับรางวัลเมื่ออายุเพียง 31 ปี และในปีเดียวกันนั้นเองเขากับ เซท เนดเดอร์เมเยอร์ เพื่อนร่วมงาน ก็ค้นพบมิวออนในรังสีคอสมิก รังสีคอสมิกจึงเป็นเหมือนเครื่องเร่งอนุภาคธรรมชาติที่นักฟิสิกส์ใช้ค้นหาอนุภาคใหม่ ก่อนที่จะมีเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่บนพื้นโลก