[논문 리뷰] On the Observations of the Penetrating Radiation during Seven Balloon Flights

Victor F. Hess|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 23.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 12

한 줄 요약

비ctor F. 헤스는 1912년에 3종류의 월프 전기계를 사용해 7번의 고고도 열기구 비행을 실시하여 관입성 방사선을 측정하였으며, 이 과정에서 이온화도가 고도가 올라감에 따라 크게 증가함을 발견하였다—특히 5,200미터 고도에서 지면 수준 대비 100% 이상 높아졌다. 이는 그가 방사선이 외계에서 유래한다고 결론 내리는 데로 이어졌으며, 이는 첫 번째로 직접적인 우주선 증거를 제공하고, 이후 콜홀스터에 의해 확인되었으며, 1936년 물리학 노벨상 수상의 기초가 되었다.

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, the Austrian (later naturalized American) Victor Hess among others developed a brilliant line of research, leading to the final determination of the extraterrestrial origin of part of the atmospheric radiation. Before his work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came integrally from the crust of the Earth. There was however an active and rich research on the topic. Victor (at that time Viktor) Hess measured in 1912 the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Since the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded that the origin of part of the natural radiation could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. The fundamental article published by Victor Hess in 1912, reporting a significant increase of the radiation as altitude increases, is translated and commented here. The decisive measurement was performed in the last of the seven flights on aerostatic balloon described.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 관측 결과인 월프의 관측과 고도 증가에 따른 방사선 감소 예측 간의 모순을 해결하기 위해.
• 통제된 열기구 운용 측정을 통해 고고도에서의 관입성 방사선 행동을 조사하기 위해.
• 고도 증가에 따른 방사선 증가 원인이 지구 내 방사능이 아닌 외부 천체에서 유래한 것인지 확인하기 위해.
• 다양한 벽 두께를 가진 기기들을 사용하여 감마선과 베타선의 기여도를 구분하기 위해.
• 다중 기기에서 동시 발생하는 방사선 변동을 확인하여, 이는 기기 오류가 아닌 외부 방사선 원인임을 확인하기 위해.

제안 방법

• 1912년 4월부터 8월까지 주로 야간에 실시한 7회의 고고도 열기구 비행을 통해, 간섭 최소화 및 안정된 독서 확보를 목적으로 하였다.
• 세 대의 월프형 전기계를 사용: 두 대는 3mm 두께의 금속 벽을 지닌 것으로 베타선에 민감하지 않으며, 한 대는 0.188mm 두께의 zinc 벽을 지닌 것으로 베타선에 민감하다. 모든 기기에는 이온화 챔버가 장착되어 있었다.
• 초점 조절 중 일관된 확대율을 유지하고 독서 정확도를 향상시키기 위해 렌즈의 슬라이딩 볼록 렌즈를 레이저 시각 장치에 적용하였다.
• 전하 손실 시간당 값을 측정하여, 알려진 커패시턴스 값으로부터 cm³당 초당 이온 수로 이온화율을 변환하였다.
• 공기 밀도 변화를 보정하기 위해 관측된 방사선 값을 표준 기압(750 mm Hg)과 비행 중 평균 기압의 비율을 곱하여 보정하였다.
• 지면 수준의 이온화 값을 고고도 측정치에서 빼어 고도에 기인한 증가분만을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 방사능 모델 예측에 따르면 고도가 증가함에 따라 관입성 방사선이 감소하는가?
• RQ2 고고도에서 관측된 이온화 증가 현상이 지구 대기권 외부에서 유래한 방사선 원인인가?
• RQ3 다중 기기에서 동시 발생하는 변동은 방사선 필드의 본질적 특성에 기인한 것이며, 기기 오류가 아닌가?
• RQ4 고고도에서 측정된 방사선이 감마선만으로 기인하는가, 아니면 베타선 등 다른 성분이 상당한 기여를 하는가?
• RQ5 공기 중 관입성 방사선의 진짜 흡수 계수는 얼마이며, 기존 알려진 감마선 흡수 계수와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 지면 수준 바로 위에서 이온화도 약간 감소하여 국소적 영향이 있음을 시사하지만, 이후 고도가 올라갈수록 일정하게 증가하였다.
• 3,000~4,000미터 고도에서 이온화도 지면 수준보다 약 50% 높아졌다.
• 4,000~5,200미터 고도에서는 이온화도 지면 수준 대비 100% 이상 높아져 최대 1.5배 수준에 도달하였다.
• 지상 방사능 자원이나 연료 보조재(ballast sand)와의 상관관계가 없었기 때문에 방사선 증가는 지구 내 방사능 원인이 아니었다.
• 다중 기기에서 동시 발생하는 변동은 방사선 변화가 실제 외부 원인에서 비롯된 것이며, 기기 불안정성 때문이 아니라는 것을 확인하였다.
• 관입성 방사선의 흡수 계수는 NTP 조건에서 공기 1cm당 약 10⁻⁵로 측정되었으며, 감마선 예상치보다 훨씬 낮아 새로운 종류의 방사선임을 시사하였다.