Dwa lata temu zdarzenie o wysokiej energii było skierowane w Ziemię

A Ostatni post W nauka Ogłasza odkrycie przez bardzo specjalny teleskop zbudowany na pustyni Utah promienia kosmicznego, który spadł na Ziemię 27 maja 2021 r.

Ziemia jest nieustannie bombardowana promieniowaniem pochodzącym z Wszechświata, jednak promieniowanie to ma energię, której wcześniej nie zaobserwowano, zwłaszcza że ta makroskopowa energia jest przenoszona przez potencjalny proton, czyli jest skupiona w nieskończenie małych rozmiarach. Takiej gęstości energii nie ma nigdzie indziej na Ziemi.

Maleńki pyłek prawdopodobnie jest świadkiem kataklizmu, który miał miejsce głęboko na niebie bardzo dawno temu, a jego źródło stanowi problem wyjaśniający dla fizyków.

Odkrycie promieni kosmicznych

W 1911 r. Victor Hess odkrył promieniowanie Pochodzące z wszechświata. Aby to zrobić, nie zawahał się wznieść balonem na wysokość pięciu kilometrów, aby uciec przed promieniowaniem ziemskim pochodzącym z radioaktywności emanującej z naszej planety. Użył „elektroskopu”, instrumentu zdolnego do pomiaru przepływu przepływających przez niego zjonizowanych cząstek. Należy zatem pamiętać, że przepływ wzrasta wraz z wysokością, a zatem jego początek znajduje się w przestrzeni. W 1936 roku Hess otrzymał Nagrodę Nobla.

Na powierzchnię Ziemi stale wpływa około stu naładowanych cząstek na metr kwadratowy na sekundę. Cząstki te to miony, czyli cząstki elementarne podobne do elektronów, ale o większej masie.

Jednak cząstki te same w sobie nie są promieniami kosmicznymi pochodzącymi z głębi Wszechświata: są to cząstki „wtórne”, powstałe w wyniku oddziaływań inicjowanych w atmosferze przez protony lub inne ciężkie jądra, które pochodzą ze znacznie odleglejszych miejsc. Po dotarciu na Ziemię pozostają jedynie miony i neutrina, ponieważ inne powstałe cząstki zniknęły (albo rozpadają się, albo po kolei oddziałują).

Deszcz cząstek w atmosferze

Atmosfera otaczająca Ziemię tworzy grubą warstwę o grubości do kilkudziesięciu kilometrów. W sumie nad naszymi głowami mamy równowartość 10 metrów wody. To wiele pytań, a proton, który dociera do górnych warstw, z pewnością będzie oddziaływać podczas tranzytu. Średnio interakcja z cząsteczkami atmosfery występuje na wysokości około 20 km.

Oddziaływania cząstek elementarnych są szczegółowo badane w eksperymentach laboratoryjnych, takich jak CERN. Wiemy zatem, że przejście protonu przez materię doprowadzi do pierwotnej reakcji polegającej na powstaniu szerszej gamy obiektów wtórnych o rosnącej energii: pionów, kaonów itp. Ale te cząstki będą miały okazję po kolei oddziaływać, a powstałe cząstki będą oddziaływać w ten sposób… i w końcu otrzymamy coś, co nazywamy „deszczem” cząstek.

Modelujemy przepływ protonów w atmosferze aż do energii osiąganych w akceleratorach, a dla wyższych energii ekstrapolujemy je za pomocą komputerowych programów symulacyjnych. W ten sposób belki mogą rozciągać się na kilka kilometrów, a rdzeń znajduje się na wysokości około 10 kilometrów. Im wyższa energia promieni kosmicznych, tym większa liczba cząstek wtórnych, a przy energiach, o których będziemy mówić, rój może być bogaty w miliardy cząstek wtórnych, które posypią kilka kilometrów kwadratowych powierzchni Ziemi. Wykrywanie takich pęków pozwala nam prześledzić cząstkę, która je wygenerowała.

Gigantyczny teleskop na środku pustyni

Jak możemy zaobserwować powstawanie takich rojów w atmosferze? Dla Platona wiedza czerpie się z interpretacji cieni pojawiających się na dnie jaskini. W obecnym przypadku polega to na wydobyciu właściwości promieni kosmicznych odpowiedzialnych za deszcz z śladu pozostawionego po dotarciu do Ziemi.

Zdarzenia o bardzo wysokiej energii są bardzo rzadkie. Ten, o którym mówimy, ma zrekonstruowaną energię 244 Exa-eV (244 x 10¹⁸ eV), a odpowiedni strumień ma kształtować się na poziomie jednej kopii na stulecie i kilometr kwadratowy! Tutaj energie mierzy się w elektronowoltach i ich wielokrotnościach, przy czym 1 wolt to energia uzyskana przez elektron przy różnicy potencjałów wynoszącej 1 wolt – niewielka energia, która w konwencjonalnych jednostkach odpowiada 1,6 · 10^-19 Jules.

Dlatego, aby mieć szansę na wykrycie niektórych z tych rzadkich zjawisk, konieczne jest zbudowanie gigantycznego teleskopu, mierzącego jak największą powierzchnię.

the Źródłem tej obserwacji jest „zespół teleskopów”. Znajduje się na pustyni w stanie Utah w środkowych Stanach Zjednoczonych. Składa się z kwadratowej siatki 507 naziemnych stacji, każda o powierzchni 3 metrów kwadratowych, zbudowanych z „plastikowych błysków”, które reagują na przechodzące cząsteczki. Stacje są rozmieszczone w odległości 1,2 km od siebie, co daje łącznie obszar wrażliwy 700 km2. Ta sieć naziemna zasilana jest przez detektory fluorescencyjne skierowane w stronę nieba: jest w stanie dostrzec świecące ślady związane z deszczami zalewającymi atmosferę podczas bezksiężycowych nocy.

Natężenie zebranych sygnałów dostarcza informacji o roju, umożliwiając pomiar energii odpowiedzialnych za to promieni kosmicznych, a kierunek ich dotarcia można wywnioskować z różnic czasu mierzonych na różnych stacjach naziemnych. Niepewność szacowana jest na 1,5 stopnia.

Aby uzyskać więcej

Bardzo aktywne wydarzenie odbędzie się 27 maja 2021 r

Tym samym zdarzenie propagacyjne wyzwoliło w teleskopie łącznie 23 sąsiadujące ze sobą detektory, pokrywające obszar około 30 kilometrów kwadratowych. Zaobserwowano duży składnik mionowy, co wykluczyło, że pierwotną cząstką był foton (fotony generują pęki elektromagnetyczne składające się z innych cząstek niż te oczekiwane dla protonu), ale bardziej szczegółowe badanie składu wiązki nie przyniosło żadnych wniosków. Można określić, czy jest to czysty proton, czy cięższe jądro.

Zrekonstruowana energia 244 Exa-eV jest obarczona niepewnością wynoszącą około 25%. To ogromna energia. 30 milionów razy większa od energii protonów, jaką osiągnęła w CERN akcelerator, który odkrył bozon Higgsa. Odpowiada to około 40 dżulom w bieżących jednostkach, czyli energii przenoszonej przez piłkę tenisową wysłaną w wyniku zmiażdżenia mistrza podczas dużego turnieju. To zdumiewająca energia w skali mikroskopowej skoncentrowana w cząstce – być może protonie – o wielkości zaledwie 10^-15 metr!

Sekret pochodzenia tego promienia kosmicznego

Dla Arystotelesa wszechświat był niezmienny, w przeciwieństwie do nietrwałej Ziemi. Promienie kosmiczne, których grecki filozof nie mógł przewidzieć, bardzo bezpośrednio dowodzą, że wszechświat znajduje się w stanie ciągłego zamieszania. Dziś wiemy, że niebo kryje w sobie gigantyczny dramat – czarne dziury połykające pobliskie gwiazdy, teleskopowe galaktyki, gromady gwiazd podwójnych… Daleko nam do harmonii, którą podziwiamy, gdy zwracamy wzrok w stronę nieba podczas pięknej, pełnej gwiazd letniej nocy.

Wspomniany post opisuje wyjątkowe wydarzenie, ale jego wyjaśnienie nie jest jasne.

Przy takich energiach proton nie może podróżować w przestrzeni na nieskończone odległości, ponieważ znajduje się powyżej progu interakcji z kosmicznymi mikrofalowymi fotonami tła z Wielkiego Wybuchu. Fotony te, odkryte w szczególności przez satelitę Planck, wypełniają całą przestrzeń w ilości do 400 na centymetr sześcienny, a każdy z nich niesie niewielką energię 10^-4 Wolt. Jednakże proton o maksymalnej energii ma wszelkie szanse na interakcję z tymi fotonami i utratę w ten sposób swojej energii początkowej poprzez przekształcenie się w inne cząstki; Tak to nazywamy Kawałki Grisin-Zatsipin-Cosmin (JZK). Takie energetyczne promienie możemy otrzymać tylko wtedy, gdy są bardzo blisko nas. To cięcie zostało wyraźnie wykazane dzięki wcześniejszemu eksperymentowi.Obserwatorium Oger zajmuje obszar 3000 kilometrów kwadratowych pośrodku argentyńskich pampasów.

Oznacza to, że aby przetrwać przejście przez ośrodek międzygalaktyczny, badana wiązka musiałaby zostać wytworzona w odległości mniejszej niż 100 megaparseków od Ziemi, czyli w naszym bezpośrednim sąsiedztwie, zaledwie 1% Wszechświata.

W sumie od 2008 roku w ramach eksperymentu Telescope Array zmierzono 28 pęków o sile większej niż 100 eksaelektronowoltów. Ich rozmieszczenie na niebie jest izotropowe, co oznacza, że ​​pochodzą ze wszystkich kierunków. Dlatego nie możemy jednoznacznie określić jego źródła.

W przypadku rekordowego zdarzenia o energii 244 eV kierunek dotarcia wskazuje na pustkę w wielkoskalowej strukturze Wszechświata, co początkowo wydaje się zaskakujące, gdyż w tym kierunku nie odnaleziono żadnego obiektu, który mógłby potencjalnie wygenerować taką wiązkę.

Ponieważ cząstka inicjująca jest naładowana, być może nieznane galaktyczne lub pozagalaktyczne pola magnetyczne zakrzywiły ścieżkę wiązki podczas jej podróży, powodując utratę jej pierwotnego kierunku? Znane pola są bardzo słabe.

W publikacji zasugerowano inną, bardziej odważną drogę ucieczki: taka wiązka, która wydaje się naruszać granicę GZK, mogłaby wskazywać na nowy efekt, który wskazywałby na błąd w naszej obecnej wiedzy o fizyce cząstek elementarnych. To jest „nowa fizyka”, na którą odwołujemy się za każdym razem, gdy wynik odbiega od utartej ścieżki.

W przyszłości będziemy musieli znacznie zwiększyć obecne statystyki, czyli pokryć zwiększone obszary lub poczekać bardzo długie okresy. Bardziej prawdopodobne jest, że możemy mieć nadzieję na opracowanie nowych technik wykrywania. Trwają prace nad wykrywaniem opadów na przykład na podstawie emitowanych przez nie fal radiowych Duży projektlub obserwowane na przykład z kosmosu Propozycja Unii Europejskiej.

Historia nie jest zamknięta.

François VanucciProfesor emerytowany, badacz fizyki cząstek elementarnych, specjalizujący się w neutrinach, Uniwersytet Miasta Paryża

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. PrzeczytaćOryginalny artykuł.

Chcesz wiedzieć wszystko o mobilności przyszłości, od samochodów elektrycznych po rowery elektryczne? Zapisz się teraz do najnowszego biuletynu Wat!