Производството на космически лъч душ, произведен от невероятно енергична частица от далеч извън нашата Слънчева система. Кредит за изображение: обсерватория Пиер Оже, чрез http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/.

Кои са най-енергийните частици във Вселената?

Повече от милион пъти повече от това, което правим в LHC, това биха могли да бъдат най-добрите ключове към природата.

"Енергията е освободена материя, материята е енергия, която чака да се случи." - Бил Брайсън

Може да мислите за най-големите и най-мощните ускорители на частици в света - места като SLAC, Fermilab и Големия адронен колайдер - като източник на най-високите енергии, които някога ще виждаме. Но всичко, което някога сме правили тук на Земята, няма абсолютно нищо в самата естествена Вселена! Всъщност, ако се интересувахте от най-енергийните частици на Земята, гледайки Големия адронен сблъсък - на 13 теВ сблъсъка, възникващи вътре - дори нямаше да сте близо до най-високите енергии. Разбира се, това са най-високите човешки енергии за частици, но непрекъснато сме бомбардирани през цялото време от частици, далеч по-големи от енергия от дълбините на самия космос: космически лъчи.

Илюстрация на много високо енергиен процес във Вселената: избухване на гама-лъч. Кредит за изображение: НАСА / Д. Бери.

Не е нужно да сте в космоса или дори да имате какъвто и да е вид полет, за да знаете, че тези частици съществуват. Още преди първите хора да напуснат повърхността на Земята, беше широко известно, че горе, над защитата на земната атмосфера, космическото пространство е било изпълнено с високоенергийно излъчване. Как разбрахме?

Първите улики дойдоха от разглеждане на един от най-простите експерименти с електричество, който можете да направите на Земята, включващ електроскоп. Ако никога не сте чували за електроскоп, това е просто устройство: вземете две тънки парчета метално фолио, поставете ги в безвъздушен вакуум и ги свържете към проводник от външната страна, на който можете да контролирате електрическия заряд.

Електрическият заряд на електроскоп, в зависимост от това с какво го зареждате и как реагират листата вътре. Кредит на изображението: Фигура 16–8 от страницата на физиката на Boomeria Honors, чрез http://boomeria.org/physicstextbook/ch16.html.

Ако поставите електрически заряд на едно от тези устройства - където две проводящи метални листа са свързани към друг проводник - и двата листа ще получат един и същ електрически заряд и ще се отблъснат един друг. С течение на времето бихте очаквали зарядът да се разсее в околния въздух, което го прави. Така че може да имате ярката идея да я изолирате възможно най-пълно, може би създайте вакуум около електроскопа, след като го заредите.

Но дори и да го направите, електроскопът все още бавно се разрежда! Всъщност, дори ако поставите оловно екраниране около вакуума, той все още ще се освободи и експериментите в началото на 20 век ни дадоха представа защо: ако отидете на по-голяма и по-голяма надморска височина, изхвърлянето се случи по-бързо. Няколко учени излагат хипотезата, че изхвърлянето се случва, защото високоенергийното излъчване - радиация както с изключително голяма проникваща сила, така и с извънземен произход - е отговорно за това.

Виктор Хес в експеримента си с космически лъчи, носещ балон. Кредитна снимка: Американско физическо общество.

Е, знаете сделката, що се отнася до науката: ако искате да потвърдите или опровергаете новата си идея, тествайте я! Така през 1912 г. Виктор Хес провежда експерименти с балон, за да търси тези космически частици с висока енергия, като ги открива веднага в голямо изобилие и оттук нататък става баща на космическите лъчи.

Ранните детектори бяха забележителни по своята простота: създавате някаква емулсия (или по-късно, облачна камера), чувствителна към заредени частици, преминаващи през нея, и поставяте около нея магнитно поле. Когато влезе заредена частица, можете да научите две изключително важни неща:

  • Съотношението на заряда към масата на частицата и
  • скоростта му,

просто зависи от начина, по който кривата на частиците се извива, нещо, което е мъртво предаване, стига да знаете силата на магнитното поле, което сте приложили.

Кредит за изображение: Пол Кунзе, в Z. Phys. 83 (1933), от първото събитие на мюоните някога през 1932г.

През 30-те години на миналия век редица експерименти - както в ранните ускорители на земни частици, така и чрез по-сложни космически детектори на лъчи - разкриха интересна информация. Като за начало огромното мнозинство частици от космически лъчи (около 90%) са протони, които влизат в широк диапазон от енергии, от няколко мега-електрон-волта (MeV) чак до толкова високи, колкото могат да бъдат измерени от всяко познато оборудване! По-голямата част от останалите бяха алфа-частици, или хелиеви ядра с два протона и два неутрона, със сравнима енергия с протоните.

Илюстрация на космически лъчи, поразяващи земната атмосфера. Кредитна снимка: Саймън Меч (САЩ, Чикаго), НАСА.

Когато тези космически лъчи попаднат на върха на земната атмосфера, те взаимодействат с нея, предизвиквайки каскадни реакции, при които продуктите на всяко ново взаимодействие водят до последващи взаимодействия с нови атмосферни частици. Крайният резултат беше създаването на т. Нар. Душ от високоенергийни частици, включително два нови: позитронът - хипотезиран през 1930 г. от Дирак, антиматериалният колега на електрона със същата маса, но с положителен заряд - и мюонът, т.е. нестабилна частица със същия заряд като електрона, но около 206 пъти по-тежка! Позитронът е открит от Карл Андерсън през 1932 г., а муонът от него и неговия ученик Сет Недермайер през 1936 г., но първото събитие на мюона е открито от Пол Кунзе няколко години по-рано, което историята изглежда забрави!

Едно от най-невероятните неща е, че дори и тук, на повърхността на Земята, ако протегнете ръка така, че да е успоредна на земята, около една мюон минава през нея всяка секунда.

Кредит за изображение: Конрад Бернлер от Института за ядрена физика Макс Планк.

Всяка мюон, която минава през ръката ви, произхожда от космически лъч душ и всяка една, която го прави, е оправдание за теорията на специалната относителност! Виждате ли, тези мюони са създадени на типична височина от около 100 км, но средната продължителност на живота на мюон е само около 2,2 микросекунди! Дори да се движи със скоростта на светлината (299,792,458 км / сек), мюон ще измине само около 660 метра, преди да се разпадне. И все пак поради разширяването на времето - или поради факта, че частиците, които се движат близо до скоростта на светлината, изпитват време, преминаващо с по-ниска скорост от гледната точка на неподвижен външен наблюдател - тези бързо движещи се мюони могат да пътуват чак до повърхността на Земята, преди да се разпадат, и оттам произлизат мюоните на Земята!

Бързо напред до наши дни и се оказва, че точно сме измерили както изобилието, така и енергийния спектър на тези космически частици!

Спектърът на космическите лъчи. Кредит за изображения: Hillas 2006, preprint arXiv: astro-ph / 0607109 v2, чрез Университета в Хамбург.

Частиците с енергия от около 100 GeV и под тях са най-често срещаните, като около една GeV частица (това е 10¹¹ eV) удря всяка секунда на квадратен метър от нашия местен космос. Въпреки че частиците с по-висока енергия все още са там, те са далеч по-редки, когато гледаме към по-високи и по-високи енергии.

Например, с времето, когато достигнете 10 000 000 GeV (или 10 ¹⁶ eV), получавате само един на квадратен метър всяка година, а за най-енергийните - тези с 5 × 10 ¹⁰ GeV (или 5 × 10 ¹⁹ eV) ), ще трябва да изградите квадратен детектор, който измерва около 10 километра отстрани, само за да откриете частици от тази енергия на година!

Как да открием душ от космически лъчи: изградете гигантски масив на земята, за да цитирам Pokémon - да ги хванете всички. Кредит за изображение: ASPERA / G.Toma / A.Saftoiu.

Изглежда като луда идея, нали? Той изисква огромна инвестиция на ресурси, за да открие тези невероятно редки частици. И все пак има изключително убедителна причина, поради която бихме искали да го направим: трябва да има прекъсване на енергиите на космическите лъчи и ограничение на скоростта за протоните във Вселената! Виждате ли, може да няма ограничение на енергиите, които можем да дадем на протоните във Вселената: можете да ускорите заредени частици с помощта на магнитни полета, а най-големите, най-активни черни дупки във Вселената могат да доведат до протони с още по-големи енергии от тези, които сме наблюдавали!

Но те трябва да пътуват през Вселената, за да достигнат до нас, а Вселената - дори в пустотата на дълбокото пространство - не е напълно празна. Вместо това е изпълнен с големи количества студено, нискоенергийно излъчване: космическият микровълнов фон!

Илюстрация на радиационния фон при различни червени смени във Вселената. Кредитни изображения: Земя: НАСА / BlueEarth; Млечен път: ESO / S. Brunier; CMB: НАСА / WMAP.

Единствените места, където се създават най-високите енергийни частици, са около най-масивните, активни черни дупки във Вселената, всички от които са далеч извън нашата собствена галактика. И ако се създадат частици с енергия над 5 × 10 ¹⁰ GeV, те могат да изминат само няколко милиона светлинни години - макс - преди един от тези фотони, останал от Големия взрив, да взаимодейства с него и да го накара да произведе пион , излъчвайки излишната енергия и падайки до тази теоретична граница на космическата енергия, известна като GZK прекъсване. Има още повече спирачно излъчване - или Bremsstrahlung радиация - което възниква при взаимодействие с всякакви частици в междузвездната / междугалактичната среда. Дори частиците с по-ниска енергия са подвластни на него и излъчват енергия далеч, като се получават двойки електрон / позитрон (и други частици). (Повече подробности тук.)

Така направихме единственото разумно нещо за физиците: направихме детектор, който е нелепо голям и изглеждаше, и видяхме дали това прекъсване съществува!

Най-големият детектор на космически лъчи в света. Кредит за изображение: обсерватория Пиер Оже в Маларгуе, Аржентина / Case Western Reserve U.

Обсерваторията Пиер Оже направи точно това, като потвърди, че космическите лъчи съществуват до, но не и над този невероятно висок енергиен праг, буквален фактор с около 10 000 000 по-голям от енергиите, достигнати в LHC! Това означава, че най-бързите протони, за които сме виждали доказателства във Вселената, се движат почти със скоростта на светлината, която е точно 299,792,458 м / с, но само с малко по-бавен темп. Колко по-бавно?

Най-бързите протони - тези точно при прекъсването на GZK - се движат със скорост 299 792 457 999999999999918 метра в секунда, или ако прехвърлите фотон и един от тези протони към галактиката Андромеда и обратно, фотонът ще пристигне на шест секунди по-рано от Протон ще… след пътуване от повече от пет милиона години! Но тези свръх високо енергийни космически лъчи не идват от Андромеда (ние вярваме); те идват от активни галактики със свръхмасивни черни дупки като NGC 1275, които са склонни да са на стотици милиони или дори милиарди светлинни години.

Galaxy NGC 1275, както е представен от Хъбъл. Кредитно изображение: NASA, ESA, наследство на Хъбъл (STScI / AURA).

Ние дори знаем - благодарение на Междузвездния Boundary Explorer (IBEX) на НАСА - че има около 10 пъти повече космически лъчи навътре в дълбоко пространство, колкото откриваме тук на и около Земята, тъй като хелиосферата на Слънцето ни защитава от огромното мнозинство от тях! (Въпреки че Слънцето върши най-лошата работа, като ни предпазва от най-енергийните частици.) ​​На теория има сблъсъци, възникващи навсякъде в пространството между тези космически лъчи и така в съвсем реален смисъл на думата, самата Вселена е нашата крайна Голям адронов колайдер: до десет милиона пъти по-енергичен от това, което можем да изпълним тук на Земята. И когато най-накрая достигнем границите на това, което експериментът с колиери може да извърши на Земята, ще се върне към същите техники, които използвахме в най-ранните дни на експериментите с космически лъчи.

Външен изглед на МКС с AMS-02, видим на преден план. Кредит за изображение: НАСА.

Ще се върнем в космоса, да изчакаме и ще видим какво ни предоставя Вселената и да открием последствията от най-енергийните космически сблъсъци от всички.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и е предоставена без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!