[논문 리뷰] Penetrating Radiation at the Surface of and in Water

Domenico Pacini|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 09.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

도메니코 파치니의 1912년 연구는 해면 공기 중 이온화를 측정하여, 지구 방사능으로부터 차단된 상태에서도 관측되는 관통성 방사선이 존재함을 보여주는 초기 실험적 증거를 제공한다. 구리 상자에 담긴 전계측계를 3미터 수심에 잠기게 하여 실험한 결과, 대기 및 해수의 방사능에 기반한 이론적 예측보다 훨씬 높은 이온화율을 관측하였으며, 이는 지구 표면 방사능과 무관한 상당한 이온화 방사선 원천이 존재한다는 결론을 이끌어냈다. 이는 비탈 허스의 열기 실험 이전에 우주선의 존재를 예견한 것이다.

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, two scientists, the Austrian Victor Hess and the Italian Domenico Pacini, developed two brilliant lines of research independently, leading to the determination of the origin of atmospheric radiation. Before their work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came from the crust of the Earth. The approach by Hess is well known: Hess measured the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Because the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded in 1912 that the origin could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. Shortly before, in 1911, Pacini, a professor at the University of Bari, made a series of measurements to determine the variation in the speed of discharge of an electroscope (and thus the intensity of the radiation) while the electroscope was immersed in a box in a sea near the Naval Academy in the Bay of Livorno (the Italian Navy supported the research). The measures are documented in his work "Penetrating radiation at the surface of and in water". Pacini discovered that the discharge of the oscilloscope was significantly slower than at the surface. Documents testify that Pacini and Hess knew of each other's work. Pacini died in 1934, two years before the Nobel Prize was awarded for the discovery of cosmic rays. While Hess is remembered as the discoverer of cosmic rays, the simultaneous discovery by Pacini is forgotten by most.

연구 동기 및 목표

• 대기 중 이온화 방사선의 기원을 규명하는 것, 특히 이것이 지구 방사능에서 기인하는지 또는 외부 원천에서 기인하는지 확인하는 것.
• 지구 지각 내 방사성 물질과 무관한 상당한 이온화 방사선 성분이 존재한다는 가설을 검증하는 것.
• 해면 공기 중 및 수심에서의 이온화 수준을 측정하고, 대기 및 물의 알려진 방사능에 기반한 이론적 예측과 비교하는 것.
• 관측된 이온화의 원인이 기기 오작동이나 국소 오염이라는 것을 배제하기 위해 해상에서 통제된 실험을 수행하는 것.
• 후에 우주선으로 밝혀진 관통성 방사선이 지구 표면 방사능과 무관한 주요 대기 이온화 원천임을 입증하는 것.

제안 방법

• 1.5mm 두께의 구리 상자에 담긴 전계측기를 사용하여 해면 공기 중 및 3미터 수심에서의 이온화율을 측정하였다.
• 장치는 베타 방사선을 차단하고 부가적 이온화를 최소화하도록 설계되어, 방전 속도에 기여하는 것은 오직 관통성 방사선뿐이었다.
• 4m² 면적의 선박에서 통제된 조건 하에 반복 관측을 통해 일관성을 확보한 채로 이온화율을 측정하였다.
• 이론적 이온화율은 라듐의 감마선 방사능(Q = 8×10⁻¹⁷ g/cm³), 흡수 계수(λ = 4.4×10⁻⁵ cm⁻¹), 라듐 1g당 이온 생성 수(K = 3.1×10⁹ ions/cm³/s)의 알려진 값을 사용하여 계산하였다.
• 해수의 등가 방사능(Q′ = 1.1×10⁻¹⁴ g/cm³)과 흡수 계수(λ′/ρ = 0.034)를 사용하여 해수의 이온화 기여도를 추정하였으며, 이론적 예측 이온화량은 0.006 ions/cm³였다.
• 대기 방사능과 용기 벽면에서 발생하는 부가적 방사선의 기여도를 합산하고 20% 조정하여 총 배경 이온화량을 추정하였으며, 이를 관측값과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해면 공기 중 관측된 이온화는 지구 방사능에서 기인하는 것인지, 또는 지반 방사능과 무관한 외부 원천에서 기인하는 것인가?
• RQ2 해수 및 대기 중 방사성 뉴클리드에서 기인하는 알려진 감마선에 기반해 이온화율을 설명할 수 있는가?
• RQ3 장치가 물 속에 잠기면서도 높은 이온화율이 유지되는 것은 지역 방사능과 관련 없는 관통성 방사선 원천이 존재한다는 것을 시사하는가?
• RQ4 관측된 이온화가 오염 또는 기기 오작동(예: 전자 방출 또는 금속 활성화) 등의 원인일 수 있는가?
• RQ5 대기 방사능과 부가적 방사선의 기여도는 총 이온화량에서 어느 정도이며, 관측값과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 해면 표면에서 전계측기를 사용해 측정한 평균 이온화율은 1초당 8.9 이온이며, 최소값은 4.7 이온으로, 이론적 예측보다 뚜렷이 높았다.
• 최소 이온화율(잔류로 간주)을 빼고 부가적 이온화를 보정한 결과, 관측된 관통성 방사선의 기여도는 1cm³당 1초당 3.4 이온이었다.
• 대기 및 해수 방사능에 기반한 이론적 계산 결과, 예측된 이온화량은 1cm³당 1초당 0.1 이온에 불과하여, 설명되지 않은 큰 이온화 성분이 존재함을 시사했다.
• 관측값과 예측값의 괴리로 인한 원인으로 기기 오작동, 오염, 또는 베타 방사선은 설명될 수 없었으며, 구리 케이지가 이러한 요소들을 차단했기 때문이다.
• 결과는 지구 방사능과 무관한 대기 중 관통성 방사선 원천 존재를 강력히 지지하며, 이는 후에 우주선으로 밝혀졌다.
• 파치니는 대기 중에 지구 표면 방사능과 직접적으로 관련되지 않은 상당한 이온화 방사선 원천이 존재한다고 결론 내렸다.