Proizvodnja tuša kozmičkih zraka, proizvedena nevjerojatno energičnom česticom koja je daleko izvan našeg Sunčevog sustava. Kreditna slika: Pierre Auger Observatory, putem http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/.

Koje su najenergičnije čestice u Svemiru?

Više od milijun puta od onoga što napravimo na LHC-u, to bi mogli biti krajnji ključevi prirode.

"Energija je oslobođena materija, materija je energija koja čeka da se dogodi." - Računa Bryson

Možda biste pomislili na najveće i najmoćnije akcelerere čestica na svijetu - mjesta poput SLAC-a, Fermilaba i Velikog hadronskog sudarača - kao izvor najviših energija koje ćemo ikada vidjeti. Ali sve što smo ikad učinili ovdje na Zemlji nema apsolutno ništa u samom prirodnom Univerzumu! Zapravo, da su vas zanimale najenergičnije čestice na Zemlji, gledajući Veliki hadronski sudarač - na 13 TeV sudara koji se događaju unutra - ne biste bili ni blizu najvišim energijama. Naravno, to su najveće ljudske energije za čestice, ali stalno nas bombardiraju čestice, daleko veće energije u dubinama samog prostora: kozmičkim zrakama.

Ilustracija vrlo visokog energetskog procesa u Svemiru: pucanja gama zraka. Bonus slike: NASA / D. Berry.

Ne biste trebali biti u svemiru ili čak imati bilo koju vrstu leta da biste znali da te čestice postoje. Još prije nego što su prva ljudska bića ikad napustila površinu Zemlje, bilo je poznato da je tamo iznad zaštite Zemljine atmosfere vanjski prostor bio ispunjen visokoenergetskim zračenjem. Kako smo znali?

Prve tragove proizišli su iz gledanja jednog od najjednostavnijih eksperimenata s električnom energijom koji možete učiniti na Zemlji, uključujući elektroskop. Ako nikada niste čuli za elektroskop, to je jednostavan uređaj: uzmite dva tanka komada metalne folije, stavite ih u vakuum bez zraka i povežite ih s vanjskim vodičem kojim možete kontrolirati električni naboj.

Električni naboj na elektroskopu, ovisno o tome na što ga punite i kako lišće unutra odgovara. Kreditna slika: Slika 16–8 sa stranice Boomeria's Honors Physics, preko http://boomeria.org/physicstextbook/ch16.html.

Ako stavite električni naboj na jedan od ovih uređaja - gdje su dva metalna odvodnika povezana na drugi vodič - oba će lista dobiti isti električni naboj i kao rezultat se odbiti. S vremenom biste očekivali da će se naboj širiti u okolni zrak, što i čini. Zato biste mogli imati svijetlu ideju kako je izolirati što je moguće potpunije, možda stvoriti vakuum oko elektroskopa nakon što ga napunite.

Ali čak i ako to učinite, elektroskop se i dalje polako prazni! U stvari, čak i ako postavite zaštitnu zaštitu od olova oko vakuuma, ona bi se još uvijek ispraznila, a eksperimenti u ranom 20. stoljeću dali su nam pojma zašto: ako ste otišli na veće i veće visine, pražnjenje se dogodilo brže. Nekoliko znanstvenika iznijelo je hipotezu da se pražnjenje događalo zato što je za to bilo odgovorno visokoenergetsko zračenje - zračenje s izrazito velikom prodirajućom snagom i izvanzemaljskim podrijetlom.

Victor Hess u svom eksperimentu kosmičkim zracima na zraku balona. Kreditna slika: American Physical Society.

Pa, znate posao kad je riječ o znanosti: ako želite potvrditi ili opovrgnuti svoju novu ideju, testirajte je! Tako je 1912. godine Victor Hess proveo eksperimente na balonu kako bi pronašao ove visokoenergetske kozmičke čestice, otkrivši ih odmah u velikom obilju i od danas postao otac kozmičkih zraka.

Rani detektori bili su izvanredni u svojoj jednostavnosti: postavili ste neku vrstu emulzije (ili kasnije oblak oblaka) koja je osjetljiva na nabijene čestice koje prolaze kroz nju i oko nje postavite magnetsko polje. Kad dođe do nabijene čestice, možete naučiti dvije izuzetno važne stvari:

  • Omjer naboja i mase čestice i
  • njegova brzina,

jednostavno ovisi o tome kako krivuda trag čestice, nešto što je mrtvo dijeljenje sve dok znate snagu magnetskog polja koje ste primijenili.

Kreditna slika: Paul Kunze, u Z. Phys. 83 (1933), prvog događaja muona ikada 1932. godine.

U 1930-im su brojni eksperimenti - i u ranim akceleratorima zemaljskih čestica, i preko sofisticiranijih kozmičkih detektora zraka - otkrili neke zanimljive podatke. Za početak, velika većina čestica kozmičkih zraka (oko 90%) bili su protoni koji su dolazili u širokom rasponu energija, od nekoliko mega-elektrona-volti (MeV) sve do onoliko visokih, koliko su se mogli mjeriti bilo kojom poznatom opremom! Ogromna većina ostalih bila su alfa-čestice, ili helijske jezgre s dva protona i dva neutrona, energije koje se mogu usporediti s protonovima.

Slika kozmičkih zraka koje udaraju u Zemljinu atmosferu. Kreditna slika: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

Kad su ove kozmičke zrake pogodile vrh Zemljine atmosfere, oni su reagirali s njom, stvarajući kaskadne reakcije u kojima su proizvodi svake nove interakcije doveli do naknadnih interakcija s novim atmosferskim česticama. Krajnji rezultat bio je stvaranje takozvanog tuširanja visokoenergetskih čestica, uključujući dva nova: pozitrona - 1930. godine razmislio je Dirac, antimaterijski kolega elektrona s istom masom, ali pozitivnim nabojem - i muon, nestabilna čestica s istim nabojem kao i elektron, ali nekih 206 puta teža! Pozitron je otkrio Carl Anderson 1932. godine, a muon njega i njegovog učenika Seth Neddermeyera 1936. godine, ali prvi je događaj muona otkrio Paul Kunze nekoliko godina ranije, a koji je, čini se, povijest zaboravio!

Jedna od najnevjerovatnijih stvari je da čak i ovdje na površini Zemlje, ako ispružite ruku tako da bude paralelna sa zemljom, kroz nju svake sekunde prođe oko jedan muon.

Kreditna slika: Konrad Bernlöhr s Instituta Max Planck za nuklearnu fiziku.

Svaki muon koji prolazi kroz vašu ruku potječe od tuširanja kozmičkih zraka, a svaki onaj koji to učini je znak o teoriji posebne relativnosti! Vidite, ti su muoni stvoreni na tipičnoj nadmorskoj visini od oko 100 km, ali prosječni životni vijek muona je samo oko 2,2 mikrosekunde! Čak i ako se kreće brzinom svjetlosti (299.792.458 km / sec), muon bi putovao samo oko 660 metara prije nego što propadne. Ipak zbog vremenskog dilatacije - ili činjenice da se čestice koje se kreću u blizini brzine svjetlosti doživljavaju da vrijeme prolazi sporijom brzinom od pogleda stacionarnog vanjskog promatrača - ti brzorastući muoni mogu putovati sve do površinu Zemlje prije nego što propadnu, i odatle potječu muoni na Zemlji!

Naprijed prema današnjem vremenu, a ispada da smo točno izmjerili i obilje i energetski spektar ovih kozmičkih čestica!

Spektar kozmičkih zraka. Kreditna slika: Hillas 2006, preprint arXiv: astro-ph / 0607109 v2, putem Sveučilišta u Hamburgu.

Čestice s oko 100 GeV energije i ispod su daleko najčešći, s tim da oko 100 GeV čestica (to je 10 ¹¹ eV) svake sekunde udara u svaki presjek kvadratnog metra našeg lokalnog prostora. Iako su čestice više energije još uvijek tamo, one su puno rjeđe dok gledamo prema višim i višim energijama.

Na primjer, vremenom kada dostignete 10 000 000 GeV (ili 10 ¹⁶ eV), dobivate samo jedan kvadratni metar svake godine, a za one s najvišom energijom, one na 5 × 10 ¹⁰ GeV (ili 5 × 10 ¹⁹ eV) ), morat ćete napraviti kvadratni detektor koji mjeri oko 10 kilometara sa strane samo da bi detektirao čestice te energije godišnje!

Kako otkriti tuš s kozmičkim zrakama: izgraditi ogromni niz na terenu - da citiram Pokémon - sve ih uhvatiti. Kreditna slika: ASPERA / G.Toma / A.Saftoiu.

Čini se kao luda ideja, zar ne? Traži ogromno ulaganje resursa za otkrivanje ovih nevjerojatno rijetkih čestica. Pa ipak, imamo izuzetno važan razlog zbog kojeg bismo to željeli učiniti: trebalo bi biti prekida energije kozmičkih zraka i ograničenja brzine za protone u Svemiru! Vidite, možda neće postojati ograničenje energija koje možemo dati protonima u Svemiru: možete ubrzati nabijene čestice pomoću magnetskih polja, a najveće, najaktivnije crne rupe u Svemiru mogle bi stvoriti protone s još većom energijom od onih koje smo opazili!

Ali oni moraju putovati kroz Svemir da bi stigli do nas, a Svemir - čak i u praznini dubokog svemira - nije potpuno prazan. Umjesto toga, on je ispunjen velikim količinama hladnog, niskoenergetskog zračenja: kozmička mikrovalna pozadina!

Ilustracija pozadine zračenja kod različitih crvenih pomaka u svemiru. Slikovni prikazi: Zemlja: NASA / BlueEarth; Mliječni put: ESO / S. Brunier; CMB: NASA / WMAP.

Jedina mjesta na kojima se stvaraju čestice najviše energije su oko najmasivnijih, aktivnih crnih rupa u Svemiru, a sve su to daleko izvan naše galaksije. A ako se stvore čestice s energijom većom od 5 × 10 ¹⁰ GeV, one mogu proći samo nekoliko milijuna svjetlosnih godina - max - prije nego što jedan od ovih fotona, preostalih od Velikog praska, uđe u interakciju s njim i prouzrokuje ga da stvara pion , zračeći višak energije i spuštajući se do te teorijske granice kozmičke energije, poznate kao granična granica GZK. Postoji još više kočionog zračenja - ili Bremsstrahlung zračenja - koje proizlazi iz interakcije s bilo kojim česticama u međuzviježđu / intergalaktičkom mediju. Čak su i čestice niže energije podložne njemu i zrače energijom u skupinama kako nastaju parovi elektrona / pozitrona (i drugih čestica). (Više detalja ovdje.)

Tako smo fizičarima učinili jedinu razumnu stvar: napravili smo detektor koji je smiješno velik i izgledao, i vidio je li to presjek!

Najveći detektor kozmičkih zraka na svijetu. Kreditna slika: Opservatorij Pierre Auger u Malargüeu, Argentina / Case Western Reserve U.

Observatorij Pierre Auger je učinio upravo ovo, potvrdivši da kozmičke zrake postoje do, ali ne i preko ovog nevjerojatno visokog energetskog praga, doslovno faktor od oko 10.000.000 veći od energije postignute u LHC! To znači da se najbrži protoni za koje smo ikada vidjeli u Svemiru kreću gotovo brzinom svjetlosti, koja iznosi točno 299.792.458 m / s, ali samo malo sporije. Koliko sporije?

Najbrži protoni - oni koji se nalaze tek na odsjeku GZK - kreću se brzinom od 299.792.457,999999999999918 metara u sekundi, ili ako utrčite foton i jedan od tih protona do Andromedine galaksije i natrag, foton će stići za samo šest sekundi prije proton bi… nakon putovanja više od pet milijuna godina! Ali ove ultra-visokoenergetske kozmičke zrake ne potječu od Andromede (vjerujemo); potječu iz aktivnih galaksija s supermasivim crnim rupama poput NGC 1275, koje imaju tendenciju udaljenosti stotina milijuna ili čak milijardi svjetlosnih godina.

Galaxy NGC 1275, kako je to zamislio Hubble. Kreditna slika: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA).

Čak znamo - zahvaljujući NASA-inom intertellarnom pretraživaču granica (IBEX) - da postoji oko 10 puta više kozmičkih zraka tamo u dubokom svemiru nego što ih detektiramo ovdje na i oko Zemlje, jer nas sunčeva heliosheath štiti od velike većine od njih! (Iako Sunce obavlja najgori posao štiteći nas od najenergičnijih čestica.) U teoriji, sudari se događaju svugdje u prostoru između ovih kozmičkih zraka, pa je u vrlo stvarnom smislu te riječi Svemir sam naš krajnji Veliki hadronski sudarač: do deset milijuna puta energičniji od onoga što možemo izvesti ovdje na Zemlji. A kad konačno postignemo granice onoga što eksperiment sudarač može izvesti na Zemlji, vratit ćemo se istim tehnikama koje smo koristili u najranijim danima pokusa kozmičkih zraka.

Vanjski pogled ISS-a s AMS-02 vidljivim u prvom planu. Kreditna slika: NASA.

Vratit ćemo se u svemir, čekati i vidjeti što nam svemir pruža, i otkriti posljedice najenergičnijih svemirskih sudara svih.

Taj se post prvi put pojavio na Forbesu, a pristižu vam ga bez oglasa naši pristaše Patreona. Komentirajte na našem forumu i kupite našu prvu knjigu: Beyond The Galaxy!