Air shower (physics)
ہوا کے شاور ذیلی جوہری ذرات اور آئنائزڈ نیوکلئی کے وسیع جھرن ہوتے ہیں، جو ماحول میں اس وقت پیدا ہوتے ہیں جب ایک بنیادی کائناتی کرن ماحول میں داخل ہوتی ہے۔ جب کائناتی تابکاری کا کوئی ذرہ، جو کہ پروٹون، نیوکلئس، الیکٹران، فوٹون، یا (شاذ و نادر ہی) پوزیٹرون ہو سکتا ہے، ماحول میں کسی مالیکیول کے نیوکلئس کے ساتھ تعامل کرتا ہے، تو یہ ثانوی ذرات کی ایک بڑی تعداد پیدا کرتا ہے، جو شاور بناتے ہیں۔ جھرن کے پہلے تعاملات میں خاص طور پر ہیڈرون (زیادہ تر ہلکے میسون جیسے پیاون اور کاون) پیدا ہوتے ہیں اور ہوا میں تیزی سے ختم ہو جاتے ہیں، جس سے دوسرے ذرات اور برقی مقناطیسی تابکاری پیدا ہوتی ہے، جو شاور اجزاء کا حصہ ہیں۔ کائناتی شعاع کی توانائی پر منحصر ہے، شاور کا پتہ لگانے کے قابل سائز قطر میں کئی کلومیٹر تک پہنچ سکتا ہے۔ کائناتی تابکاری سے جذب ہونے والی آئنائزنگ تابکاری بڑی حد تک میوون، نیوٹرون اور الیکٹرانوں سے ہوتی ہے، جس کی خوراک کی شرح دنیا کے مختلف حصوں میں مختلف ہوتی ہے اور یہ بڑی حد تک جیومیگنیٹک فیلڈ، اونچائی اور شمسی چکر پر مبنی ہوتی ہے۔ ایئر لائن کے عملے کو کائناتی شعاعوں سے زیادہ تابکاری کا سامنا کرنا پڑتا ہے اگر وہ معمول کے مطابق پرواز کے راستوں پر کام کرتے ہیں جو انہیں زیادہ اونچائی پر قطب شمالی یا جنوبی کے قریب لے جاتے ہیں، جہاں جیومیگنیٹک فیلڈ کی حفاظت کم سے کم ہوتی ہے۔ ایئر شاور کے رجحان کو 1933 میں برونو روسی نے ایک لیبارٹری کے تجربے میں نامعلوم طور پر دریافت کیا تھا۔ 1937 میں پیئر آگر، جو روسی کی سابقہ رپورٹ سے بے خبر تھے، نے اسی رجحان کا پتہ لگایا اور اس کی کچھ تفصیل سے تفتیش کی۔ انہوں نے یہ نتیجہ اخذ کیا کہ کائناتی شعاع کے ذرات انتہائی اعلی توانائیوں کے ہوتے ہیں اور ماحول میں اونچے مرکزوں کے ساتھ تعامل کرتے ہیں، جس سے ثانوی تعاملات کا ایک جھرن شروع ہوتا ہے جو ذیلی جوہری ذرات کی وسیع بارش پیدا کرتا ہے۔ آج کل وسیع ہوا شاور کا پتہ لگانے والے سب سے اہم تجربات ٹیلی اسکوپ ارے پروجیکٹ اور پیئر آگر آبزرویٹری ہیں۔ مؤخر الذکر کائناتی شعاعوں کے لیے اب تک کا سب سے بڑا رصد گاہ ہے، جو ارجنٹائن کے صحرا میں 3,000 مربع کلومیٹر کے رقبے پر پھیلے 4 فلوروسینس ڈیٹیکٹر عمارتوں اور 1600 سرفیس ڈیٹیکٹر اسٹیشنوں کے ساتھ کام کر رہا ہے۔ 1933 میں، وکٹر ہیس کے ذریعہ کائناتی تابکاری کی دریافت کے فورا بعد، برونو روسی نے فلورنس کے انسٹی ٹیوٹ آف فزکس میں ایک تجربہ کیا، جس میں کائناتی تابکاری کے گھسنے والے کردار کی تصدیق کے لیے ڈھال والے گیگر کاؤنٹرز کا استعمال کیا گیا۔ اس نے گیگر کاؤنٹرز کے مختلف انتظامات کا استعمال کیا، جس میں تین کاؤنٹرز کا سیٹ اپ بھی شامل تھا، جہاں دو کو ایک دوسرے کے ساتھ رکھا گیا تھا اور تیسرا اضافی شیلڈنگ کے ساتھ نیچے مرکوز تھا۔ اتفاق سے گیگر کاؤنٹرز سے گزرنے والے ہوا کے شاور کے ذرات کا پتہ لگانے سے، اس نے فرض کیا کہ ثانوی ذرات پہلی شیلڈنگ پرت کے ساتھ ساتھ لیبارٹری کی چھت میں کائناتی شعاعوں کے ذریعے پیدا ہو رہے ہیں، یہ جانتے ہوئے کہ اس نے جو ذرات ناپا وہ میوون تھے، جو ہوا کے شاور میں پیدا ہوتے ہیں اور جو صرف تین سال بعد دریافت ہوں گے۔ انہوں نے یہ بھی نوٹ کیا کہ کائناتی شعاعوں کے لیے اتفاق کی شرح نمایاں طور پر کم ہو جاتی ہے جن کا پتہ نیچے زینیتھ اینگل پر لگایا جاتا ہے۔ اسی طرح کا ایک تجربہ 1936 میں ہیلگرٹ اور بوتھی نے ہیڈلبرگ میں کیا تھا۔ 1939 میں ایک اشاعت میں، پیئر آگر نے تین ساتھیوں کے ساتھ مل کر تجویز کیا کہ ثانوی ذرات فضا میں کائناتی شعاعوں سے پیدا ہوتے ہیں، اور انہوں نے سطح سمندر سے بلندی پر جنگفراجوچ پر ڈھال والے سنٹیلیٹرز اور ولسن چیمبرز کا استعمال کرتے ہوئے تجربات کیے، اور سطح سمندر سے بلندی پر پک ڈو مڈی پر، اور سطح سمندر پر۔ انہوں نے پایا کہ ڈیٹیکٹرز کے بڑھتے ہوئے فاصلے کے ساتھ اتفاقات کی شرح کم ہوتی جاتی ہے، لیکن اونچائی پر بھی غائب نہیں ہوتی ہے۔ اس طرح اس بات کی تصدیق ہوتی ہے کہ کائناتی شعاعیں ماحول میں ثانوی ذرات کی ہوا کی بارش پیدا کرتی ہیں۔ انہوں نے اندازہ لگایا کہ اس مظاہر کے بنیادی ذرات میں توانائی ہونی چاہیے۔ کوانٹم تھیوری کے خیال کی بنیاد پر، ہوا کے شاور پر نظریاتی کام 1935 اور 1940 کے درمیان اس وقت کے بہت سے معروف طبیعیات دانوں (بشمول بھابھا، اوپن ہائیمر، لینڈو، روسی اور دیگر) کے ذریعے کیا گیا تھا، یہ فرض کرتے ہوئے کہ جوہری شعبوں کے آس پاس اعلی توانائی والی گاما کرنیں الیکٹرانوں اور پوزیٹرانوں کی جوڑی پیداوار سے گزریں گی، اور الیکٹرانوں اور پوزیٹرانوں سے تابکاری کے ذریعے گاما کرنیں پیدا ہوں گی۔ وسیع پیمانے پر ہوائی شاور پر کام بنیادی طور پر جنگ کے بعد جاری رہا، کیونکہ بہت سی اہم شخصیات مین ہیٹن منصوبے میں شامل تھیں۔ 1950 کی دہائی میں، ہوا کے شاور میں برقی مقناطیسی ذرات کی پس منظر اور کونیی ساخت کا حساب جاپانی سائنسدانوں کوئیچی کاماتا اور جون نشیمورا نے لگایا تھا۔ 1955 میں، ایم آئی ٹی کے اگاسیز اسٹیشن پر بنیادی کائناتی شعاعوں کی آمد کی سمت کا پتہ لگانے کے لیے کافی درستگی کے ساتھ ہوا کے شاور کا پتہ لگانے کے لیے پہلی سرفیس ڈیٹیکٹر صف بنائی گئی تھی۔ اگاسیز صف 16 پلاسٹک سنٹیلیٹرز پر مشتمل تھی جو قطر کے سرکلر صف میں ترتیب دی گئی تھی۔ کائناتی شعاعوں کی آمد کی سمتوں پر تجربے کے نتائج، تاہم، جہاں بے نتیجہ ہیں۔ آتش فشاں رینچ کا تجربہ، جو 1959 میں بنایا گیا تھا اور جان لنسلے کے زیر انتظام تھا، الٹرا ہائی انرجی کائناتی شعاعوں کا پتہ لگانے کے لیے کافی سائز کا پہلا سرفیس ڈیٹیکٹر تھا۔ 1962 میں، توانائی کے ساتھ پہلی کائناتی کرن کی اطلاع دی گئی تھی۔ کئی کلومیٹر کے نقوش کے ساتھ، زمین پر شاور کا سائز پہلے ریکارڈ کیے گئے کسی بھی واقعے سے دوگنا بڑا تھا، جو شاور میں تقریبا ذرات پیدا کرتا تھا۔ مزید برآں، زمین پر پائے جانے والے ذرات کی پس منظر کی تقسیم کاماتا اور نشیمورا کے ذریعہ اخذ کردہ ساخت کے افعال کے کینتھ گریسن تخمینے سے میل کھاتی ہے۔ وسیع ہوا شاور کے لیے پتہ لگانے کی ایک نئی تکنیک 1965 میں گریسن نے تجویز کی تھی۔ انہوں نے شاور کے ذرات کی چیرنکوف تابکاری، اور ماحول میں پرجوش نائٹروجن مالیکیولز کے ذریعہ پیدا ہونے والی فلوروسینس روشنی کا براہ راست مشاہدہ کرنے کا مشورہ دیا۔ اس طرح، کوئی بھی ماحول میں شاور کی طول البلد نشوونما کی پیمائش کر سکے گا۔ یہ طریقہ پہلی بار کامیابی سے لاگو کیا گیا تھا اور 1977 میں آتش فشاں رینچ میں 67 آپٹیکل ماڈیولز کا استعمال کرتے ہوئے رپورٹ کیا گیا تھا۔ آتش فشاں رینچ نے فنڈز کی کمی کی وجہ سے جلد ہی اپنا کام ختم کر دیا۔ اس کے بعد کی دہائیوں میں ہوائی شاور کے بہت سے تجربات ہوئے، جن میں کاسکیڈ، اگاسا، اور ہیرس شامل ہیں۔ 1994 میں، مؤخر الذکر نے نظریاتی طور پر متوقع سپیکٹرم کٹ آف سے باہر کی توانائی کے ساتھ ایک الٹرا ہائی انرجی کائناتی کرن کا پتہ لگانے کی اطلاع دی۔ کائناتی شعاع کی ہوا کی شاور کا پتہ فلائی کے آئی فلوروسینس ڈیٹیکٹر سسٹم کے ذریعے لگایا گیا تھا اور اندازہ لگایا گیا تھا کہ اس میں زیادہ سے زیادہ تقریبا 240 ارب ذرات موجود ہیں۔ یہ تقریبا کی کائناتی کرن کے لیے ایک بنیادی توانائی سے مطابقت رکھتا ہے۔ آج تک، زیادہ توانائی والا کوئی بھی ذرہ ریکارڈ نہیں کیا گیا۔ اس لیے اسے عوامی طور پر اوہ-مائی-گاڈ ذرہ کہا جاتا ہے۔ ایئر شاور کی تشکیل ایئر شاور ماحول کے ساتھ بنیادی کائناتی شعاع کے تعامل سے تشکیل پاتا ہے، اور پھر ثانوی ذرات کے بعد کے تعامل سے، اور اسی طرح۔ بنیادی ذرہ کی قسم پر منحصر ہے، شاور کے ذرات زیادہ تر ہیڈرونک یا برقی مقناطیسی تعاملات کے ذریعے بنائے جائیں گے۔ سادہ شاور ماڈل ماحول میں داخل ہونے کے فورا بعد، بنیادی کائناتی کرن (جسے مندرجہ ذیل میں پروٹون یا نیوکلئس سمجھا جاتا ہے) ماحول میں ایک نیوکلئس کے ذریعہ بکھرے ہوئے ہے اور ایک شاور کور بناتا ہے-اعلی توانائی والے ہیڈرون کا ایک خطہ جو بنیادی کائناتی کرن کے توسیعی راستے کے ساتھ تیار ہوتا ہے، یہاں تک کہ یہ ماحول یا زمین کے ذریعہ مکمل طور پر جذب ہوجاتا ہے۔ شاور کور میں ذرات کا تعامل اور سڑنا شاور کے اہم ذرہ اجزاء کو کھلاتا ہے، جو کہ ہیڈرون، میوون اور خالص طور پر برقی مقناطیسی ذرات ہیں۔ شاور کا ہیڈرونک حصہ زیادہ تر پیاون پر مشتمل ہوتا ہے، اور کچھ بھاری میسن، جیسے کہ کاون اور میسن۔ غیر جانبدار پیاز، برقی کمزور تعامل کے ذریعے مخالف سمت میں گھومنے والے فوٹونوں کے جوڑوں میں ختم ہو جاتے ہیں، جو شاور کے برقی مقناطیسی جزو کو ایندھن فراہم کرتے ہیں۔ چارج شدہ پیاون، ترجیحی طور پر کمزور تعامل کے ذریعے میوون اور (اینٹی) نیوٹرینو میں ختم ہو جاتے ہیں۔ یہی بات چارج شدہ اور غیر جانبدار کانوں کے لیے بھی درست ہے۔ اس کے علاوہ، کاون بھی پیاون تیار کرتے ہیں۔ پیاون اور کاون کے سڑنے سے پیدا ہونے والے نیوٹرینو کو عام طور پر شاور کے حصوں کے طور پر شمار نہیں کیا جاتا ہے کیونکہ ان کا کراس سیکشن بہت کم ہوتا ہے، اور انہیں شاور کی پوشیدہ توانائی کا حصہ کہا جاتا ہے۔ معیاری طور پر، شاور کے ذرہ مواد کو ایک آسان ماڈل کے ذریعے بیان کیا جا سکتا ہے، جس میں شاور کے کسی بھی تعامل میں حصہ لینے والے تمام ذرات دستیاب توانائی کو یکساں طور پر بانٹ لیں گے۔ کوئی یہ فرض کر سکتا ہے کہ ہر ہیڈرونک تعامل میں، چارج شدہ پیاون اور غیر جانبدار پیاون پیدا ہوتے ہیں۔ غیر جانبدار پیاز فوٹونوں میں ختم ہو جائیں گے، جو شاور کے برقی مقناطیسی حصے کو ایندھن فراہم کرتے ہیں۔ اس کے بعد چارج شدہ پیاز ہیڈرونک طور پر تعامل کرتے رہیں گے۔ تعاملات کے بعد، ہیڈرونک جزو میں جمع ہونے والی بنیادی توانائی کا حصہ اس کے ذریعہ دیا جاتا ہے، اور برقی مقناطیسی حصہ اس طرح تقریبا لے جاتا ہے۔ اس طرح چھٹی نسل میں ایک پیاون کی توانائی ہوتی ہے۔ رد عمل اس وقت تک جاری رہتا ہے، جب تک کہ پیاون ایک اہم توانائی تک نہ پہنچ جائیں، جس پر وہ میوون میں ختم ہو جاتے ہیں۔ اس طرح، کل تعاملات کی توقع کی جاتی ہے اور کل میوون پیدا ہوتے ہیں۔ جھرن کا برقی مقناطیسی حصہ بریمسٹرہلنگ اور جوڑی کی پیداوار سے تیار ہوتا ہے۔ سادگی کی خاطر، فوٹون، الیکٹران اور پوزیٹران کو اکثر شاور میں مساوی ذرات کے طور پر مانا جاتا ہے۔ برقی مقناطیسی جھرن جاری رہتا ہے، یہاں تک کہ ذرات ایک اہم توانائی تک پہنچ جاتے ہیں، جس سے وہ ماحول میں مالیکیولز کے ساتھ بکھرنے کی وجہ سے اپنی زیادہ تر توانائی کھونا شروع کردیتے ہیں۔ شاور میں پیدا ہونے والے برقی مقناطیسی ذرات کی تعداد کا ایک اچھا تخمینہ ہے۔ فرض کریں کہ ہر برقی مقناطیسی تعامل اوسط تابکاری کی لمبائی کے بعد ہوتا ہے، شاور تقریبا گہرائی میں اپنی زیادہ سے زیادہ حد تک پہنچ جائے گا، جہاں ماحول میں کائناتی شعاع کے پہلے تعامل کی گہرائی سمجھی جاتی ہے۔ تاہم، یہ تخمینہ تمام قسم کے بنیادی ذرات کے لیے درست نہیں ہے۔ خاص طور پر بھاری مرکزوں سے ہونے والی بارشیں بہت پہلے اپنی زیادہ سے زیادہ حد تک پہنچ جائیں گی۔ لانگٹیوڈینل پروفائل ایئر شاور میں موجود ذرات کی تعداد شاور کے کیلوری میٹرک توانائی کے ذخیرے کے تقریبا متناسب ہوتی ہے۔ توانائی کا ذخیرہ، جیسا کہ اسے مثال کے طور پر فلوروسینس ڈیٹیکٹر دوربینوں کے ذریعے دیکھا جا سکتا ہے، پار کیے ہوئے ماحولیاتی مادے کے فنکشن کے طور پر شاور کے لانگٹیوڈینل پروفائل کے نام سے جانا جاتا ہے۔ شاور کے طول البلد پروفائل کے لیے، صرف برقی مقناطیسی ذرات (الیکٹران، پوزیٹران، اور فوٹون) متعلقہ ہیں، کیونکہ وہ ذرہ مواد اور کیلوری میٹرک توانائی کے ذخیرے میں شراکت پر حاوی ہیں۔ شاور پروفائل کی خصوصیت ذرات کی تعداد میں تیزی سے اضافہ ہوتا ہے، اس سے پہلے کہ ذرات کی اوسط توانائی شاور کی زیادہ سے زیادہ کے ارد گرد نیچے گر جائے، اور اس کے بعد آہستہ آہستہ سڑ جائے۔ ریاضیاتی طور پر پروفائل کو ایک جھکا ہوا گوسیئن، گیسر-ہلس فنکشن یا گریسن فنکشن کے ذریعے اچھی طرح سے بیان کیا جا سکتا ہے۔ یہ تصویر مختلف بنیادی توانائیوں کا استعمال کرتے ہوئے شاور کی مثالی طول البلد پروفائل کو ظاہر کرتی ہے، جو کہ ماحولیاتی گہرائی سے تجاوز کرنے یا اسی طرح تابکاری کی لمبائی کی تعداد کے طور پر ہے۔ شاور کی عمر کا پیمانہ مختلف ابتدائی گہرائیوں اور مختلف بنیادی توانائیوں کے ساتھ شاور کا موازنہ کرنے کے لیے متعارف کرایا گیا ہے تاکہ ان کی عالمگیر خصوصیات کو اجاگر کیا جا سکے، مثال کے طور پر ہمیشہ زیادہ سے زیادہ شاور پر۔ شاور کے طول البلد پروفائلز خاص طور پر کل کیلوری میٹرک توانائی کے ذخائر اور شاور کی زیادہ سے زیادہ گہرائی کی پیمائش کے تناظر میں دلچسپ ہیں، کیونکہ مؤخر الذکر ایک قابل مشاہدہ ہے جو بنیادی ذرہ کی قسم کے لیے حساس ہے۔ اصل ذرہ زیادہ توانائی کے ساتھ آتا ہے اور اس لیے روشنی کی رفتار کے قریب ایک رفتار ہوتی ہے، اس لیے تصادم کی مصنوعات بھی عام طور پر پرائمری کی طرح اسی سمت میں حرکت کرتی ہیں، جبکہ کچھ حد تک سائیڈ وائز پھیلتی ہیں۔ اس کے علاوہ، ثانوی ذرات چیرنکوف اثر کی وجہ سے آگے کی سمت میں روشنی کی ایک وسیع چمک پیدا کرتے ہیں، نیز فلوروسینس روشنی جو نائٹروجن مالیکیولز کے جوش و خروش سے آئسوٹروپک طور پر خارج ہوتی ہے۔ ذرات کے جھرن اور ماحول میں پیدا ہونے والی روشنی کا پتہ سرفیس ڈیٹیکٹر کی صفوں اور نظری دوربینوں سے لگایا جا سکتا ہے۔ سرفیس ڈیٹیکٹرز عام طور پر زمینی سطح پر چارج شدہ ثانوی ذرات کا پتہ لگانے کے لیے چیرنکوف ڈیٹیکٹرز یا سنٹیلیشن کاؤنٹرز کا استعمال کرتے ہیں۔ فلوروسینس اور چیرنکوف روشنی کی پیمائش کے لیے استعمال ہونے والی دوربینوں میں پی ایم ٹی کلسٹرز پر روشنی مرکوز کرنے کے لیے بڑے آئینے کا استعمال کیا جاتا ہے۔ آخر میں، ہوا کی بارش جیومیگنیٹک فیلڈ کے ذریعہ الیکٹرانوں اور پوزیٹرانوں کے انحراف کی وجہ سے ریڈیو لہروں کا اخراج کرتی ہے۔ نظری تکنیکوں کے مقابلے میں فائدہ کے طور پر، ریڈیو کا پتہ لگانا نہ صرف تاریک اور صاف راتوں کے دوران بلکہ چوبیس گھنٹے ممکن ہے۔ اس طرح، کئی جدید تجربات، مثال کے طور پر، ٹیگا، لوفر، یا پیئر آگر آبزرویٹری پارٹیکل ڈیٹیکٹرز اور آپٹیکل تکنیک کے علاوہ ریڈیو اینٹینا کا استعمال کرتے ہیں۔ کاسمک رے آبزرویٹری حوالہ جات بیرونی روابط وسیع فضائی بارش بھی دیکھیں۔ بک لینڈ پارک ایئر شاور ڈیٹیکٹر ہاویرا پارک ڈیٹیکٹر سسٹم ہائریس ڈیٹیکٹر سسٹم پیئر آگر آبزرویٹری ہائ ایس پی اے آر سی (ہائی اسکول پروجیکٹ آن ایسٹرو فزکس ریسرچ ود کاسمکس) ایئرز (ایئر شاور ایکسٹینڈڈ سمیلیشنز): بڑے اور اچھی طرح سے دستاویزی فورٹرن پیکیج جس میں سرجیو سکوٹو کے ذریعہ کاسمک رے شاورز کی تقلید کے لیے یونیورسیڈڈ نیسیونل ڈی لا پلاٹا، ارجنٹینا کورسیکا، کورسیکا کے شعبہ طبیعیات میں: کاسمک رے ایئر شاورز کی تقلید کے لیے ایک اور کوڈ جو فورسچنگسینٹرم کارلسروہی، جرمنی کے ڈایٹر ہیک کے ذریعے کیا گیا ہے۔ کوسموس: کئی مختلف کاسمک رے ایئر شاورز کے انٹرایکٹو اینیمیٹڈ 3 ڈی ماڈل، اور ہدایات کہ کس طرح شکاگو یونیورسٹی کے کوسموس گروپ سے۔ ملاگرو اینیمیشنز: فلمیں اور ہدایات کہ انہیں کیسے بنایا جائے، جس میں دکھایا گیا ہے کہ ہوا کے شاور ملاگرو ڈٹیکٹر کے ساتھ کس طرح تعامل کرتے ہیں۔ از میگوئل مورالس۔ CASSIM حرکت پذیری: نیویارک یونیورسٹی کے ہاجو ڈریسچلر کے ذریعہ مختلف کائناتی شعاعوں کے ہوائی شاور کی حرکت پذیری۔ SPASE2 تجربہ: ساؤتھ پول ایئر شاور تجربہ (SPASE)۔ جی اے ایم ایم اے تجربہ: ہائی ماؤنٹین ایئر شاور تجربہ۔ ماحول زمین کے مظاہر کائناتی شعاعیں