2) ریزش های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Cascades):

ریزش های الکترومغناطیس هنگامیکه انرژی ها در این فرآیند سهیم باشند (بر فراز اتمسفر) پرتوهای گاما را در جو غوطه ور می کنند.

در واقع این پدیده ها تولید ترکیبی همان اثرات غالب (Dominant Effect) هستند که البته این تنها در مورد ریزشهای پهناور جوی (Extensive Air Showers) صادق است. (این نوع از ریزش ها را در بخش بعدی بررسی می کنیم).

فرآیند تولید ترکیبی در زمینه ای از هسته های اتمسفری و یا الکترون ها به منظور حفظ نیروی حرکت صورت می گیرد.

طی این فرآیند یک فوتون با انرژی بالا (حداقل 1.022 مگا الکترون ولت) در ماده به یک جفت الکترون – پوزیترون تبدیل می شود.

اگر انرژی کافی باشد جفت الکترون نهایی انرژی خود را به سرعت بوسیله ی واکنش یونی از دست نخواهد داد. در مقابل یک الکترون در زمینه ای از ذرات بنیادین هسته می تواند اشعه ی گامای ثانویه را تولید کند. این تولید همان اثر بزامشتراهلونگ نامیده می شود.

این اشعه ی گاما (اگر انرژی هنوز از 1.022 مگا الکترون ولت بیشتر باشد) می تواند جفت الکترونی دیگری را تولید کند که آنها می توانند واکنش های بزامشتراهلونگ بیشتری را تحمل کنند.

که در نهایت نتیجه ی آن یک ریزش فوتونی – الکترونی و پوزیترونی خواهد بود که می توانند در مسیر قبلی حرکت اشعه های گاما حرکت کرده و در انرژی کل سهیم باشند.

3) ریزش های فراگیر جوی (Extensive Air Showers [EAS]):

ریزش های فراگیر جوی تا قبل از واضح شدن ابهامات در مورد پرتوهای کیهانی در سال 1927 وجود نداشت.

همچنین تمامی فرضیه ها در مقابل توضیح پرتوهای کیهانی به صورت فوتونیک (با قالب نوری) از خواص ذره ای دفاع می کردند.

اما امروزه با درک کامل پرتوهای کیهانی توانسته ایم منشا تمام ذرات و پرتوهای پر انرژی را که از فضای خارجی وارد زمین می شوند بفهمیم.

در حقیقیت پرتوهای کیهانی از هسته ی اتم (96 درصد هیدروژن – 3 درصد هلیم – 1 درصد کربن – نیتروژن – اکسیژن – فلئور) + پرتوهای گاما - الکترون ها - پوزیترون ها – نوترینو ها و انواع دیگر ذرات بنیادی تشکیل شده اند.

پرتوهای کیهانی تا قبل از اینکه به زمین برسند از منابع پرتوزا نشات می گیرند که البته بعضی از مواد متشکل آنها طی فرآیند گذر از کهشکان ها به دلیل انجام واکنش های میان ستاره ای (از قبیل: تجزیه و یونیزه شدن) بوجود می آیند.

در واقع مواد متشکل نام برده چیزی است که به زمین می رسد. به همین دلیل ترکیب اصلی دیگری را برای پرتوهای کیهانی پیش بینی می کنیم.

اصولا همین ترکیبات نیز هنگامیکه به اتمسفر زمین می رسند طی واکنش هایی با هسته های تشکیل دهنده ی اتمسفر به ذرات ثانویه ای تبدیل می شوند که ریزش های فراگیر جوی نام دارند.

ذرات اولیه ی EAS در لایه های فوقانی جو بیشتر تشکیل شده از هسته های اتمی – فوتون ها و پرتوهای آلفا هستند. (به صورت مقداری از هسته های سنگین کمتر هستند).

توزیع اینگونه از وقایع ترکیبی هستند و طیف ها خبر از انرژی بالای 10^20 الکترون ولت می دهند که این مقدار برای پرتوهای آلفا زیاد است.

بنابراین شاید به  صورت تقریبی این دسته از فرایندها را بتوان دنباله روی قانون سلطه (Potency Law) دانست.

این طیف ها را می توان به پرتوهای گاما ربط داد: 

  E

 که در آن ? تقریبا 2.6 است.

هیچ کدام از این ذرات پر انرژی به زمین نمی رسند و تنها از این فرآیند مقدار کمی پرتوی گاما (1 از 1000) به صورت EAS در جو تولید می شود.

4) پرتوهای چرنکوف در EAS:

برای انرژی های اولیه (کمتر از 20 ترا الکترون ولت) ریزش های هادرونیک در لایه های فوقانی اتمسفر نابود می شود اما پرتوهای چرنکوف توسط بارهایی که به ارتفاعات سطحی زمین نفوذ می کنند تولید می شوند.

اگرچه حرکت موجی این جریانات در نقطه ی نشات آنها و گسترش بعد از آن پرتوهای چرنکوف را دوباره به نقطه ی ابتدایی آنها (محل پرتوهای گامای ابتدایی در کره ی سماوی) بر می گرداند.

در ریزش های الکترومغناطیسی الکترون ها و پوزیترون ها اعضای تشکیل دهنده ی پرتوهای چرنکوف هستند.

این موضوع هنگامی درست است که انرژی ذرات از مقدار Min آستانه ی  فراتر رود. (همانطور که معادله ی 1.9 نشان می دهد).

این نهایت (آستانه) برابر با 21 مگا الکترون ولت در هنگام رصد می باشد که در ارتفاع 7.5 کیلومتری از سطح دریا یه 35 مگا الکترون ولت افزایش می یابد. علت این تغییر در  اختلاف بین سرعت آستانه ی پرتوهای چرنکوف است که طی واکنش های تجزیه ای در اتمسفر ایجاد می شود.

بر مبنای همین نوع از واکنش های تجزیه مقدار  را تخمین بزنیم.

می دانیم که سرعت نور در میانه ی مشخص از رابطه ی زیر بدست می آید:

(1.7)

که در آن C سرعت نور در خلا و n شاخص تجزیه در ارتفاع اتمسفری داده شده (H) است.

آنگاه می توانیم را به شکل زیر بنویسیم. (انرژی ذره ای نسبیتی (Relativistic Particle)است که با سرعتی معین حرکت می کند:

(1.8)

بنابراین اگر بنویسیم n = 1 + ? و آنگاهبرابر با  خواهد بود. که از آن خواهیم داشت:

(1.9)

حال می توانیم بهتر پرتوهای چرنکوف را در EAS بررسی و مطالعه کنیم. این کار می توان به دو صورت 1) بررسی گسترش طولی و یا 2) بررسی پراکندگی جانبی ریزش های ذره ای ادامه داد.

گسترش طولی این ریزش ها به معنای توزیع در نقطه ی گسیل فوتون های چرنکوف می باشد.

از شکل زیر می توان به آسانی دید که ریزش ها می توانند بعد از تیرگی (Blur) به Max خود برسند:

شکل (1.5): شبیه سازی مونته کارلو (Monte Carlo) در مورد توزیع طولی ریزش الکترومغناطیسی 1Tev

در سوی دیگر توزیع جانبی یک EAS (شکل1.6) در مورد پرتوهای چرنکوف در واقع همان بررسی نقطه ی ساتع کننده ی پرتوهای چرنکوف در سطح عمود به قطب ریزش است.

بنابراین  می بینیم که توزیع جانبی اینگونه حساس به گسترش طولی ریزش رفتار می کند.

در اصول توزیع جانبی می توان گفت که شیب توزیع جانبی مرتبط به ریزش است که می تواند در دیدگان رصدگران چنین گسترش یابد.

هنگامیکه ریزش ها به شدت در اتمسفر گسترش می یابند پدیداری توزیع را بیشتر نمایان می سازند که به این مدل خاص حلقه ی چرنکوف (Cherenkov Ring) می گویند.

شکل (1.6): نمودار توزیع جانبی پرتوهای چرنکوف بر وری زمین مخصوص به انواع خاصی از پرتوهای گاما و ریزش های هادرونیک.

پرتوهای گامای القا شده به ریزش یک توزیع جانبی و سطحی نسبیتی نور را در خارج 125 متری فاصله ی شعاعی از مرکز نشان می دهد. 

1) ریزش های هادرونیک (Hadronic Cascades):

 این ریزش ها بیشتر از ذراتی مانند پروتون ها تشکیل شده اند و پرتوزایی خود آنها باعث تجزیه ی آنها بر فراز جو می شود.

می توانیم این عمل متقابل را به صورت زیر نیز بنویسیم:

 Cosmic Ray (CR) + Atmospheric Nuclei (AN) CR" + AN" + n + m  + other mesons

که در این معادله  CR" باقیمانده ی اصلی پرتوهای کیهانی می باشد که می تواند باعث ایجاد واکنش های بیشتری با هسته های اتمسفری شود.

اگر اصل پرتوهای کیهانی انرژی کافی را داشته باشند حتی پرتوها می توانند به سطح زمین نیز برسند.

AN" باقیمانده ی هسته های اتمسفری می باشد که دارای انرژی بالایی هستند.

همچنین مقدار تولیدی ار تجزیه ی هسته ها نیز همان(مزون ها) می باشند که می توانند در دنباله ی مادون تولید مزونی پرتوزا کنند.

 از همان ابتدای خلقت ، دست یافتن به نظریه ای برای همه چیز دل مشغولی بشر بود ، یافتن جوابی که پاسخ تمامی سئوالات باشد . سئوالاتی که مطرح شده اند و یادر آینده ممکنست مطرح شوند چه سئوالات مربوط به متافیزیک ، چه سئوالات مربوط به جهان ماده .بله ، با دست یافتن به"نظریه ای برای همه چیز"گیریم که توانستیم در قرن بیست و یکم به نظریه ای برای همه چیز دست یابیم آیا در این صورت می توان ادعا کرد که در قرن بیست و دوم ، بیست و سوم و... این نظریه در آن زمان هم نظریه ای برای همه چیز باشد؟ اگر قادر به اثبات تجربی آن نباشیم" همه چیز" این نظریه بلوفی بیش نخواهد بود چرا که ممکنست تکنولوژی آینده به مبارزه با پیش بینی های آن برآید.و ضعف های آن را برملا سازد.

طبق فرضیه تازه ای مهم ترین معماهای فیزیک در دهه گذشته، یعنی جرم نوترینوها و آهنگ فزاینده انبساط جهان به ذرات زیر اتمی ای به نام اکسلرون مربوط می شود. شاید بتوان دو دستاورد بزرگ فیزیک در دهه ی گذشته را مربوط به کیهان شناسی دانست، یکی اینکه نوترینوها (ذرات زیراتمی بسیار کوچک) جرم ناچیزی دارند که البته هنوز اندازه گیری نشده است و دیگری اینکه سرعت انبساط عالم در حال حاضر در حال افزایش است. سه فیزیکدان در دانشگاه واشنگتن معتقدند که این دو کشف هر دو به گونه ای به ناشناخته ترین پدیده ی کنونی در عالم، یعنی انرژی تاریک مرتبط است - ما هنوز به درستی آن را نمی شناسیم، تنها می دانیم عاملی است که بر ضد گرانش، سبب سرعت بخشیدن به انبساط عالم می شود- آنها معتقدند همه چیز زیر سر ذره زیراتمی دیگری است که تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است و آن را " اکسلرون (Acceleron)" (شتابگر) نامیده اند. انرژی تاریک در عالم اولیه چندان قابل توحه نبوده است اما در حال حاضر 70درصد عالم را اشغال کرده است. شناخت انرژی تاریک به ما کمک می کند تا بدانیم چرا در زمان دوری در آینده عالم آن چنان وسعت پیدا می کند که دیگر هیچ کهکشانی در آسمان شب دیده نشود و آیا این انبساط تا ابد و بی نهایت ادامه خواهد داشت؟ در نظریه ی جدید مطرح شده نوترینوها تحت تأثیر نیروی جدیدی که از برهمکنش آنها با اَکسِلِرون ها ناشی می شود قرار می گیرند این- نیرو سبب می شود که نوترینوها از هم فاصله بگیرند. درست مثل اینکه یک تکه کش را از دو طرف بکشیم، هر چقدر بیشتر کشیده شود، انرژی بیشتری را در خود ذخیره می کند- در هر ثانیه تریلیونها نوترینو در کوره ی هسته ای ستاره ها از جمله خورشید ما ساخته می شوند.آنها در همه جای عالم جریان پیدا می کنند و میلیاردها نوترینو از هر نوع ماده ای، حتی بدن شما بدون هیچ برهمکنشی عبور می کنند. نوترینوها بار الکتریکی ندارند و جرم آنها هم آن قدر ناچیز است که هنوز اندازه گیری نشده است. آن نیلسون یکی از ارائه دهندگان نظریه ی جدید معتقد است برهمکنش میان اکسلرونها و ذرات دیگر از این هم ضعیف تر است، برای همین این ذرات تاکنون آشکار نشده اند. البتّه نیرویی که این ذرات بر نوترینوها وارد می کنند، آنها را تحت تأثیر قرار می دهد و به این ترتیب باید بتوان وجود چنین نیرویی را در آشکارسازهای نوترینوی فعلی که در نقاط مختلف کره ی زمین وجود دارد نشان داد. مدلهای مختلفی برای انرژی تاریک ارائه شده است، اما آزمودن آنها محدود به اندازه گیریهای دقیق در تغییر سرعت انبساط عالم است. این امر تنها با رصد اجرام بسیار دوردست امکان پذیر است، اما اندازه گیریهای دقیق در چنین فاصله هایی بسیار مشکل است. به گفته ی نلسون این تنها روشی است که ما می توانیم با به کارگیری آشکارسازهای فعلی در کره ی زمین به نیرویی که سبب افزایش انرژی تاریک در عالم می شود پی ببریم. محققان معتقدند جرم نوترینو در عبور از محیطهای مختلف، تغییر می کند، همان طور که عبور نور از هوا، آب یا یک منشور متفاوت است. در نتیجه آشکارسازهای مختلف بسته به اینکه در چه مکانی نصب شده اند، نتایج متفاوتی به دست خواهند آورد. اما اگر بپذیریم که نوترینوها نیز بخشی از انرژی تاریک هستند، وجود نیروی جدیدی می تواند این افت و خیزها را توضیح دهید. به عقیده ی نلسون این برهمکنش میان نوترینوها و اکسلرونها می تواند تا ابد انرژی لازم برای انبساط عالم را تأمین کند. تا پیش از این اخترشناسان به دنبال اطلاعاتی بودند که سرانجام تعیین کنند آیا عالم ما تا ابد منبسط خواهد شد، یا زمانی دوباره در یک " رُمبش بزرگ" منقبض شده و روی خودش بسته می شود. اما حالا باید به دنبال این باشیم که آیا سرعت انبساط عالم همچنان افزایش خواهد یافت یا در جایی ثابت خواهد ماند

.براساس نظریه ی جدید، هنگامی که فاصله ی نوترینوها بسیار زیاد شود، جرم آنها نیز آن قدر افزایش پیدا می کند که دیگر انرژی تاریک بر آنها اثری نخواهد داشت، در نتیجه شتاب انبساط عالم کم کم از بین می رود. و از آن پس عالم همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد، اما با سرعتی که دائماً در حال کاهش است