На фоне этих космических монстров БАК выглядит детской забавой, но даже у них есть свои пределы.
«Энергия - это освобожденная материя, материя - это энергия, ожидающая своего появления». - Билл Брайсон
Вы можете думать о самых больших и мощных ускорителях частиц в мире таких местах, как SLAC, Fermilab и Большой адронный коллайдер как об источнике самых высоких энергий, которые мы когда-либо видели. Но все, что мы когда-либо делали здесь, на Земле, не имеет абсолютно никакого отношения к самой естественной Вселенной!
На самом деле, если бы вы интересовались самыми энергичными частицами на Земле, глядя на Большой адронный коллайдер - на столкновения с энергией 13 ТэВ , происходящие внутри - , вы даже близко не подошли бы к самым высоким энергиям. Конечно, это самые высокие энергии частиц, созданные человеком, но мы постоянно подвергаемся бомбардировке частицами гораздо, гораздо большей энергии.
Если вы никогда не слышали о них раньше, позвольте мне познакомить вас с термином, который, я надеюсь, вы никогда не забудете, узнав о них сейчас: космические лучи, известные во всем мире своими (вымышленными) эффекты, превращающие четырех ученых на борту космического корабля Рида Ричардса в Фантастическую четверку.
Вам не нужно было быть в космосе или даже летать, чтобы знать, что эти частицы существуют. Еще до того, как первые люди покинули поверхность Земли, было широко известно, что там, наверху, над защитой земной атмосферы, космическое пространство заполнено высокоэнергетическим излучением. Как мы узнали?
Первые подсказки пришли из одного из простейших экспериментов с электричеством, которые вы можете провести на Земле, с использованием электроскопа. Если вы никогда не слышали об электроскопе, это простое устройство: возьмите два тонких куска проводника из металлической фольги, поместите их в безвоздушный вакуум и подключите к проводнику снаружи, электрический заряд которого вы можете контролировать.
Если вы поместите электрический заряд на одно из этих устройств - где два проводящих металлических листа соединены с другим проводником - оба листа приобретут одинаковый электрический заряд и в результате оттолкнутся друг от друга. Вы ожидаете, что со временем заряд рассеется в окружающий воздух, что он и делает. Так что у вас может возникнуть блестящая идея изолировать его как можно полнее, например, создать вакуум вокруг электроскопа после его зарядки.
Но даже если вы это сделаете, электроскоп все равно будет медленно разряжаться! На самом деле, даже если вы поместите свинцовый экран вокруг вакуума, он все равно будет разряжаться, и эксперименты в начале 20-го века дали нам понять, почему: если вы поднимались все выше и выше, разряд происходил быстрее. Несколько ученых выдвинули гипотезу о том, что разряд произошел из-за того, что за это ответственно высокоэнергетическое излучение - излучение как с чрезвычайно большой проникающей способностью, так и внеземного происхождения - .
Ну, вы знаете, когда дело доходит до науки: если вы хотите подтвердить или опровергнуть свою новую идею, вы проверяете ее! Итак, в 1912 году Виктор Гесс провел эксперименты на воздушном шаре по поиску этих высокоэнергетических космических частиц, сразу же обнаружив их в огромном количестве и с тех пор став отцом космических лучей.
Ранние детекторы были замечательны своей простотой: вы устанавливали своего рода эмульсию (или, позже, камеру Вильсона), чувствительную к проходящим через нее заряженным частицам, и помещали вокруг нее магнитное поле. Когда входит заряженная частица, вы можете узнать две чрезвычайно важные вещи:
- Отношение заряда частицы к массе и
- его скорость,
просто зависит от того, как изгибается траектория движения частицы, что совершенно бесполезно, если вы знаете силу приложенного вами магнитного поля.
В 1930-х годах ряд экспериментов - как на ранних земных ускорителях частиц, так и с использованием более сложных детекторов космических лучей - принес некоторую интересную информацию. Во-первых, подавляющее большинство частиц космических лучей (около 90%) были протонами, которые имели широкий диапазон энергий, от нескольких мегаэлектрон-вольт (МэВ) до таких высоких, которые можно было измерить. любым известным оборудованием! Подавляющее большинство остальных были альфа-частицами, или ядрами гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, с энергиями, сравнимыми с протонами.
Когда эти космические лучи попадали в верхнюю часть атмосферы Земли, они взаимодействовали с ней, вызывая каскадные реакции, когда продукты каждого нового взаимодействия приводили к последующим взаимодействиям с новыми атмосферными частицами. Конечным результатом стало создание так называемого ливня высокоэнергетических частиц, в том числе двух новых: позитрона, выдвинутого Дираком в 1930 году, аналога электрона из антивещества с той же массой, но с положительным зарядом, и мюона. нестабильная частица с таким же зарядом, как у электрона, но примерно в 206 раз тяжелее! Позитрон был открыт Карлом Андерсоном в 1932 году, а мюон - им и его учеником Сетом Неддермейером в 1936 году, но первое мюонное событие было открыто Полом Кунце несколькими годами раньше, о чем история, похоже, забыла!
Одна из самых удивительных вещей заключается в том, что даже здесь, на поверхности Земли, если вы протянете руку так, чтобы она была параллельна земле, каждую секунду через нее проходит около одного мюона.
Каждый мюон, который проходит через вашу руку, происходит из потока космических лучей, и каждый, кто это делает, является подтверждением специальной теории относительности! Видите ли, эти мюоны создаются на типичной высоте около 100 км, но среднее время жизни мюона составляет всего около 2 лет.2 микросекунды! Даже двигаясь со скоростью света (299 792,458 км/с), мюон пройдет только около 660 метров, прежде чем распадется. Тем не менее, из-за замедления времени - или того факта, что частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, испытывают более медленное течение времени с точки зрения стационарного внешнего наблюдателя - эти быстро движущиеся мюоны могут пройти весь путь до поверхности Земли до того, как они распадутся, и именно здесь рождаются мюоны на Земле!
Перенесемся в наши дни, и окажется, что мы точно измерили как распространенность, так и энергетический спектр этих космических частиц!
Частицы с энергией около 100 ГэВ и ниже являются наиболее распространенными, при этом примерно одна частица с энергией 100 ГэВ (это 10^11 эВ) попадает на каждый квадратный метр поперечного сечения нашей локальной области. пространства каждую секунду. Хотя частицы с более высокими энергиями все еще существуют, они встречаются гораздо реже, поскольку мы смотрим на все более и более высокие энергии.
Например, к тому времени, когда вы достигнете 10 000 000 ГэВ (или 10^16 эВ), вы будете получать только один на квадратный метр каждый год, и для самых высоких энергий, те, что на 5 × 10^10 ГэВ (или 5 × 10^19 эВ), вам нужно будет построить квадратный детектор с размером стороны около 10 километров только для обнаружения одной частицы такой энергии в год!
Похоже на безумную идею, не так ли? Для обнаружения этих невероятно редких частиц требуются огромные инвестиции. И все же есть чрезвычайно веская причина, по которой мы хотели бы это сделать: должно быть ограничение энергии космических лучей и ограничение скорости протонов во Вселенной! Видите ли, не может быть предела энергии, которую мы можем придать протонам во Вселенной: вы можете ускорять заряженные частицы с помощью магнитных полей, а самые большие, самые активные черные дыры во Вселенной могут породить протоны с еще большими энергиями. чем те, что мы наблюдали!
Но чтобы добраться до нас, им нужно пройти через Вселенную, а Вселенная - даже в пустоте глубокого космоса - не совсем пуста. Вместо этого он заполнен большим количеством холодного низкоэнергетического излучения: космическим микроволновым фоном!
Единственные места, где создаются частицы с самой высокой энергией, находятся вокруг самых массивных активных черных дыр во Вселенной, которые находятся далеко за пределами нашей собственной галактики. И если созданы частицы с энергиями, превышающими 5 × 10 ^ 10 ГэВ, они могут пройти только несколько миллионов световых лет - max - , прежде чем один из этих фотонов, оставшихся от Большого взрыва, взаимодействует с ним и заставляет его производить пион, излучающий избыточную энергию и падающий до этого теоретического предела космической энергии, известного как отсечка ГЗК. (Подробнее здесь.)
Таким образом, мы сделали единственную разумную вещь для физиков: мы построили невероятно большой детектор, посмотрели и увидели, существует ли эта отсечка!
Обсерватория Пьера Оже сделала именно это, подтвердив, что космические лучи существуют до, но не выше этого невероятно высокого порога энергии, буквально в 10 000 000 раз превышающего энергии, достигаемые при БАК! Это означает, что самые быстрые протоны, существование которых мы когда-либо видели во Вселенной, движутся почти со скоростью света, которая составляет ровно 299 792 458 м/с, но лишь немного медленнее. Насколько медленнее?
Самые быстрые протоны - те, что как раз на границе ГЗК - двигаются со скоростью 299, 792, 457.9999999999999918 метров в секунду, или если вы мчитесь с фотоном и одним из этих протонов в галактику Андромеды и обратно, фотон прибудет всего на шесть секунд раньше, чем протон… после путешествия длиной более пять миллионов лет! Но эти сверхвысокоэнергетические космические лучи исходят не от Андромеды; они происходят из активных галактик со сверхмассивными черными дырами, такими как NGC 1275, которые, как правило, находятся на расстоянии сотен миллионов или даже миллиардов световых лет.
Мы даже знаем - благодаря межзвездному исследователю границы НАСА (IBEX) - что в глубоком космосе примерно в 10 раз больше космических лучей, чем мы обнаруживаем здесь на Земле и вокруг нее, чем Гелиооболочка Солнца защищает нас от подавляющего большинства из них!
Теоретически, столкновения между этими космическими лучами происходят повсюду в космосе, и, таким образом, в самом прямом смысле этого слова, сама Вселенная является нашим конечным Большим адронным коллайдером: до десяти миллионов раз больше энергичнее, чем то, что мы можем исполнить здесь, на Земле.
И это фантастическая история о частицах с наивысшей энергией во Вселенной - из космических лучей - и пределе космической энергии!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!