Prodhimi i një dush me rreze kozmike, i prodhuar nga një grimcë tepër energjike nga Sistemi Diellor. Kredia për imazhin: Observatori Pierre Auger, përmes http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/.

Cilat janë grimcat më energjike në Univers?

Më shumë se një milion herë ato që ne bëjmë në LHC, këto mund të jenë çelësat përfundimtarë të natyrës.

"Energjia është çliruar çështje, materia është energjia që pret të ndodhë." –Bill Bryson

Ju mund të mendoni për përshpejtuesit e grimcave më të mëdha dhe më të fuqishme në botë - vende si SLAC, Fermilab dhe Collider Hadron i Madh - si burimi i energjive më të larta që do të shohim ndonjëherë. Por gjithçka që kemi bërë ndonjëherë këtu në Tokë nuk ka absolutisht asgjë në vetë Universin natyror! Në fakt, nëse do të interesoheshit për grimcat më energjike në Tokë, duke parë Koliderin e Madh Hadron - në 13 përplasjet e TeV që ndodhin brenda - nuk do të ishe as afër energjive më të larta. Sigurisht, këto janë energjitë më të larta të bëra nga njeriu për grimcat, por ne vazhdimisht jemi të bombarduar gjatë gjithë kohës nga grimca shumë më të mëdha në energji nga thellësia e vetë hapësirës: rrezet kozmike.

Një ilustrim i një procesi shumë të lartë energjetik në Univers: një shpërthim rrezesh gamme. Kredia e figurës: NASA / D. Berry.

Ju nuk keni nevojë të gjendeni në hapësirë, apo edhe të keni ndonjë lloj fluturimi, të dini se këto grimca ekzistonin. Edhe para se qeniet e para njerëzore të linin ndonjëherë sipërfaqen e Tokës, dihej gjerësisht se atje lart, mbi mbrojtjen e atmosferës së Tokës, hapësira e jashtme ishte e mbushur me rrezatim me energji të lartë. Si e dinim?

Të dhëna të para erdhën nga shikimi i një prej eksperimenteve më të thjeshta të energjisë elektrike që mund të bëni në Tokë, duke përfshirë një elektroskop. Nëse nuk keni dëgjuar kurrë për një elektroskop, është një pajisje e thjeshtë: merrni dy pjesë të hollë përçimi, petë metalike, vendosini ato në një vakum pa ajër dhe lidheni ato me një përcjellës në pjesën e jashtme, në të cilën mund të kontrolloni ngarkesën elektrike të tij.

Ngarkesa elektrike në elektroskop, në varësi të asaj që e ngarkoni, dhe si reagojnë gjethet brenda. Kredia e figurës: Figura 16–8 nga faqja e Fizikës së Nderit të Boomeria, përmes http://boomeria.org/physicstextbook/ch16.html.

Nëse vendosni një ngarkesë elektrike në njërën prej këtyre pajisjeve - ku dy gjethe metalike përçuese janë të lidhura me një përcjellës tjetër - të dy gjethet do të fitojnë të njëjtën ngarkesë elektrike dhe do të zmbrapsin njëra-tjetrën si rezultat. Do të prisnit, me kalimin e kohës, që akuza të shpërndahej në ajrin përreth, gjë që bën. Kështu që ju mund të keni idenë e ndritshme ta izoloni atë sa më plotësisht të jetë e mundur, mbase duke krijuar një vakum rreth elektroskopit sapo ta ngarkoni.

Por edhe nëse e bëni këtë, elektroskopi akoma ngadalë shkarkohet! Në fakt, edhe nëse vendosnit mbrojtje plumbi rreth vakumit, ai akoma do të shkarkohej, dhe eksperimentet në fillim të shekullit të 20-të na dhanë një të dhënë pse: nëse shkonit në lartësi më të larta dhe më të larta, shkarkimi ndodhi më shpejt. Disa shkencëtarë parashtruan hipotezën se shkarkimi po ndodhte sepse rrezatimi me energji të lartë - rrezatimi me fuqi të jashtëzakonshme depërtuese dhe me origjinë jashtëtokësore - ishte përgjegjës për këtë.

Victor Hess në eksperimentin e tij të ngjyrosur me balona, ​​rrezet kozmike. Kredia e figurës: Shoqëria Fizike Amerikane.

Epo, ju e dini marrëveshjen kur bëhet fjalë për shkencën: nëse doni të konfirmoni ose hedhni poshtë idenë tuaj të re, ju e provoni atë! Kështu që në vitin 1912, Victor Hess kreu eksperimente të bëra me balona për të kërkuar për këto grimca kozmike me energji të lartë, duke i zbuluar ato menjëherë në bollëk të madh dhe tani e tutje duke u bërë babai i rrezeve kozmike.

Detektorët e hershëm ishin të jashtëzakonshëm në thjeshtësinë e tyre: ju vendosni një lloj emulsioni (ose më vonë, një dhomë re) që është e ndjeshme ndaj grimcave të ngarkuara që kalojnë nëpër të dhe vendosni një fushë magnetike rreth saj. Kur futet një grimcë e ngarkuar, mund të mësoni dy gjëra jashtëzakonisht të rëndësishme:

  • Raporti ngarkesë-masë ndaj grimcave dhe
  • shpejtësia e saj,

thjesht varet nga mënyra se si kthesat e grimcave, diçka që është një dhuratë e vdekur për sa kohë që ju e dini fuqinë e fushës magnetike që aplikuat.

Kredia e figurës: Paul Kunze, në Z. Phys. 83 (1933), e ngjarjes së parë muon ndonjëherë në 1932.

Në vitet 1930, një numër eksperimentesh - si në përshpejtuesit e hershëm të grimcave tokësore, ashtu edhe përmes detektorëve më të sofistikuar të rrezeve kozmike - dolën disa informacione interesante. Për fillestarët, pjesa dërrmuese e grimcave të rrezeve kozmike (rreth 90%) ishin protone, të cilat vinin në një gamë të gjerë energjish, nga disa mega-elektrone-volt (MeV) gjatë gjithë rrugës deri në aq lart sa mund të mateshin nga ndonjë pajisje e njohur! Pjesa dërrmuese e pjesës tjetër të tyre ishin grimca alfa, ose bërthama heliumi me dy protone dhe dy neutrone, me energji të krahasueshme me protonet.

Një ilustrim i rrezeve kozmike që godasin atmosferën e Tokës. Kredia e figurës: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

Kur këto rrezet kozmike godasin majën e atmosferës së Tokës, ata ndërvepruan me të, duke prodhuar reagime kaskaduese ku produktet e çdo ndërveprimi të ri çuan në ndërveprime të mëvonshme me grimca të reja atmosferike. Rezultati përfundimtar ishte krijimi i asaj që quhet dush i grimcave me energji të lartë, duke përfshirë dy të reja: pozitronin - të hipotezuar në 1930 nga Dirac, homologun antimater të elektronit me të njëjtën masë, por një ngarkesë pozitive - dhe muon, një grimcë e paqëndrueshme me të njëjtën ngarkesë si elektroni, por rreth 206 herë më e rëndë! Pozitroni u zbulua nga Carl Anderson në 1932 dhe muon nga ai dhe studenti i tij Seth Neddermeyer në 1936, por ngjarja e parë muon u zbulua nga Paul Kunze disa vjet më parë, të cilën historia duket se e ka harruar!

Një nga gjërat më të mahnitshme është se edhe këtu në sipërfaqen e Tokës, nëse e mbani dorën në mënyrë që të jetë paralele me tokën, rreth një muon kalon nëpër të çdo sekondë.

Kredia e figurës: Konrad Bernlöhr i Institutit Max Planck për Fizikë Bërthamore.

Mudo muon që kalon nëpër dorën tuaj ka origjinë nga një dush rrezesh kozmik, dhe secila që vepron kështu është një shfajësim i teorisë së relativitetit të veçantë! E shihni, këto muone janë krijuar në një lartësi tipike prej rreth 100 km, por jeta mesatare e një muon është vetëm rreth 2.2 mikrosekonda! Edhe duke lëvizur me shpejtësinë e dritës (299,792.458 km / sek), një muon do të udhëtonte vetëm rreth 660 metra para se të kalonte. Megjithatë, për shkak të dilatimit të kohës - ose faktit që grimcat që lëvizin afër shpejtësisë së dritës përjetojnë kohën duke kaluar me një ritëm më të ngadaltë nga pikëpamja e një vëzhguesi të palëvizshëm jashtë - këto muune që lëvizin shpejt mund të udhëtojnë gjatë gjithë rrugës sipërfaqja e Tokës para se të kalbet, dhe kjo është ajo ku burojnë muons në Tokë!

Shpejt përpara deri në ditët e sotme, dhe rezulton se ne kemi matur me saktësi edhe bollëkun dhe spektrin e energjisë të këtyre grimcave kozmike!

Spektri i rrezeve kozmike. Kredia e figurës: Hillas 2006, shtypshkrimi arXiv: astro-ph / 0607109 v2, përmes Universitetit të Hamburgut.

Grimcat me energji me vlerë rreth 100 GeV dhe më poshtë janë larg nga më të zakonshmet, me rreth një grimcë 100 GeV (kjo është 10¹¹ eV) që godet çdo seksion kryq të metrit katror të rajonit tonë lokal të hapësirës çdo sekondë. Megjithëse grimcat me energji më të lartë janë akoma atje, ato janë shumë më pak të shpeshta pasi kërkojmë energji më të larta dhe më të larta.

Për shembull, me kohën kur arrini 10,000,000 GeV (ose 10¹⁶ eV), ju merrni vetëm një metër katror çdo vit, dhe për ato me energji më të lartë, ato me 5 × 10¹⁰ GeV (ose 5 × 10¹⁹ eV ), do të duhet të ndërtoni një detektor katror që mati rreth 10 kilometra në një anë, vetëm për të zbuluar grimcën e asaj energjie në vit!

Si të zbuloni një dush me rreze kozmike: ndërtoni një grup gjigant në tokë për të - për të cituar Pokemon - kapur 'të gjithë. Kredia e figurës: ASPERA / G.Toma / A.Saftoiu.

Duket si një ide e çmendur, apo jo? Shtë duke kërkuar një investim të madh të burimeve për të zbuluar këto grimca tepër të rralla. E megjithatë ekziston një arsye jashtëzakonisht bindëse që ne do të dëshirojmë ta bëjmë këtë: duhet të ketë një ndërprerje të energjisë së rrezeve kozmike dhe një kufi shpejtësie për protonet në Univers! E shihni, mund të mos ketë një kufi për energjitë që mund t'u japim protoneve në Univers: ju mund të përshpejtoni grimcat e ngarkuara duke përdorur fusha magnetike, dhe vrima më e madhe, më aktive në Univers mund të krijojë protone me energji edhe më të mëdha sesa ato që kemi vërejtur!

Por ata duhet të udhëtojnë nëpër Univers për të arritur tek ne, dhe Universi - madje edhe në zbrazëtinë e hapësirës së thellë - nuk është plotësisht bosh. Në vend të kësaj, ajo është e mbushur me sasi të mëdha të rrezatimit me energji të ulët: sfond mikrovalë kozmik!

Një ilustrim i sfondit të rrezatimit në ndryshime të ndryshme në Univers. Kredi për imazhin: Tokë: NASA / BlueEarth; Mënyra e qumështit: ESO / S. Brunier; CMB: NASA / WMAP.

I vetmi vend ku krijohen grimcat më të larta të energjisë janë rreth vrimave të zeza më masive, aktive në Univers, të gjitha këto janë larg përtej galaktikës sonë. Dhe nëse krijohen grimca me energji më të madhe se 5 × 10¹⁰ GeV, ato mund të udhëtojnë vetëm disa milion vite dritë - max - para njërës prej këtyre fotoneve, të mbetur nga Big Bang, bashkëveprojnë me të dhe bën që ajo të prodhojë një pion , duke rrezatuar energjinë e tepërt dhe duke zbritur në këtë kufi teorik të energjisë kozmike, i njohur si ndërprerja e GZK. Ekziston edhe më shumë rrezatim frenimi - ose rrezatimi Bremsstrahlung - që lind nga ndërveprimet me ndonjë grimcë në mesin ndëryjor / intergalaktik. Edhe grimcat me energji më të ulët i nënshtrohen asaj, dhe rrezatojnë energji larg në lëvizje ndërsa çifte elektron / pozitron (dhe grimca të tjera) prodhohen. (Më shumë detaje këtu.)

Kështu që ne bëmë e vetmja gjë e arsyeshme që fizikanët të bënin: ne ndërtuam një detektor që qesharakisht i madh dhe dukej, dhe pamë nëse ky ndërprerje ekzistonte!

Detektori më i madh i rrezeve kozmike në botë. Kredi për imazhin: Observatori Pierre Auger në Malargüe, Argjentinë / Case Western Reserve U.

Observatori Pierre Auger e ka bërë pikërisht këtë, duke verifikuar se rrezet kozmike ekzistojnë deri në, por jo mbi këtë prag jashtëzakonisht të lartë të energjisë, një faktor i mirëfilltë me rreth 10,000,000 më i madh se energjitë e arritura në LHC! Kjo do të thotë që protonet më të shpejta për të cilat kemi parë prova në Univers janë duke lëvizur pothuajse me shpejtësinë e dritës, që është saktësisht 299,792,458 m / s, por vetëm pak e ngadalshme. Sa më ngadalë?

Protonet më të shpejta - ato vetëm në ndërprerjen e GZK - lëvizin me 299,792,457.999999999999918 metra-në sekondë, ose nëse do të vidhosni një foton dhe një prej këtyre protoneve në galaktikën Andromeda dhe mbrapa, fotoni do të arrinte me shpejtësi gjashtë sekonda më shpejt se protoni do të… pas një udhëtimi prej më shumë se pesë milion vjet! Por këto rrezet kozmike me energji ultra të larta nuk vijnë nga Andromeda (besojmë); ato vijnë nga galaktika aktive me vrima të zeza mbinjerëzore si NGC 1275, të cilat priren të jenë qindra miliona apo edhe miliarda vite dritë larg.

Galaxy NGC 1275, siç u shpreh nga Hubble. Kredia e figurës: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA).

Ne madje e dimë - në sajë të Explorer Kufitar Interstellar të NASA-së (IBEX) - që ka rreth 10 herë më shumë rreze kozmike atje në hapësirë ​​të thellë, ndërsa zbulojmë këtu Tokën rreth dhe përreth, pasi heliosheati i Diellit na mbron nga shumica dërrmuese prej tyre! (Megjithëse Dielli bën punën më të keqe për të na mbrojtur nga grimcat më energjike.) Në teori, ka përplasje që ndodhin kudo në hapësirë ​​midis këtyre rrezeve kozmike, dhe kështu në një kuptim shumë të vërtetë të fjalës, vetë Universi është përfundimi ynë Large Hadron Collider: deri në dhjetë milion herë më shumë energjike se sa mund të kryejmë këtu në Tokë. Dhe kur të kemi arritur më në fund kufijtë e asaj që mund të kryejë një eksperiment kolizor në Tokë, do të kthehet në të njëjtat teknika që kemi përdorur në ditët më të hershme të eksperimenteve të rrezeve kozmike.

Pamja e jashtme e ISS me AMS-02 të dukshme në plan të parë. Kredia e figurës: NASA.

Do të kthehet në hapësirë, të presim dhe të shohim se çfarë Universi na jep, dhe të zbulojë pasojat e përplasjeve kozmike më energjike të të gjithëve.

Ky postim u shfaq për herë të parë në Forbes, dhe ju është sjellë pa reklamë nga mbështetësit tanë të Patreonit. Komentoni në forumin tonë, dhe blini librin tonë të parë: Përtej Galaxy!