Puslapis 1

Didžiausią dalelių energiją Van de Graaff generatoriuje, kaip ir bet kuriame tiesioginiame greitintuve, riboja rutulio ir aplinkinių objektų gedimo įtampa. Net ir laikantis pačių kruopščiausių atsargumo priemonių esami įrenginiai negali pakelti gedimo įtampos virš dešimties milijonų voltų.  

Apskaičiuokime didžiausią dalelės energiją. Koeficientas V2 ties amplitudės reikšmė Lauko EQ gaunamas, nes apskaičiuojama vidutinė lauko vertė per pusę virpesių ciklo.  

Apskaičiuokime didžiausią dalelių energiją. Koeficientas 1/2 lauko amplitudės reikšmei E0 gaunamas, nes apskaičiuojama lauko vidutinė vertė per pusę virpesių ciklo.  

Apskaičiuokime didžiausią dalelių energiją.  

Reikšmė W, lygi didžiausiai dalelių energijai esant 0 K, vadinama energetiniu Fermi lygiu arba tiesiog Fermio lygiu.  

Energijos praradimas dėl kosminių spindulių riboja didžiausią dalelių, sudarančių kosminius spindulius, energiją; šis apribojimas priklauso nuo dalelės amžiaus. 1969 - 1971 m. raketų eksperimentai davė 20–100 kartų didesnį bendrą kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės tankį.  

Tritis yra grynas (3 spindulių su maksimali energija dalelių 18 61 0 02 keV ir pusinės eliminacijos laikas 12 43 metai.  

Magnetinis laukas ciklotrone siekia dešimtis tūkstančių oerstedų, kameros spindulys – keli metrai, maksimali dalelių energija – iki 107 eV. Ši energija yra palyginti maža, nors pirmuosiuose branduolio dalijimosi eksperimentuose buvo manoma, kad jos pakanka. Ciklotrone negalima pasiekti didelės energijos: kaip matyti iš reliatyvumo teorijos, dalelių masė didėja su greičiu, todėl judant mažėja jų cirkuliacijos dažnis.  

Tričio spinduliuotės poveikio specifiškumą lemia jo 3 dalelių diapazonas. Didžiausia tričio p-spektro dalelių energija atitinka kelią medžiagoje apie 6 μm, medžiagos tankis 1 g/cm3, o 90% spinduliuotės energijos sunaudojama maždaug 0 atstumu. 5 μm atstumu nuo šaltinio. Pastaroji aplinkybė pasirodo itin svarbi, nes tričio spinduliuotės sugertis vyksta maždaug gyvos ląstelės dydžio atstumu, priešingai nei tokie p-spinduliai kaip fosforas-32 ar itris-90, kurį sugeria apšvitintas organas. Šiuo atžvilgiu svarbu atsižvelgti į viduląstelinę tričio lokalizaciją, nes tarpląstelinių vienetų radiojautrumas labai skiriasi.  

Coleman [31, 851] naudojo vieną rezonatorių, kuriame dviejų magnetronų pagalba per nepriklausomas sujungimo angas sužadinami TM010 tipo svyravimai, kurių dažnis yra 2–8 GHz. Esant bendrai įėjimo galiai 800 kW, maksimali dalelių energija yra 1 5 MeV Į greitėjimo ertmę reikiamu greičiu ir norimu fazės poslinkiu įpurškiamas išankstinis grupavimo rezonatorius, kuris užtikrins didelę išėjimo energiją. Serijiniai elektrodai yra sujungti su varžiniu dalikliu, todėl jų potencialai pasiskirsto pagal parabolinį dėsnį.  

Naujų dalelių generavimo požiūriu ypač efektyvūs yra greitintuvai su susidūrimo pluoštais (VI.5.4.3, VI.5.3.4), kuriuose susiduria dalelės, kurių bendras impulsas yra nulinis. Dėl šios priežasties visa jų kinetinė energija gali būti paversta likusia besiformuojančių dalelių energija, kurios bendras impulsas taip pat lygus nuliui. Tai jau labai artima maksimaliai kosminės spinduliuotės dalelių energijai.  

Beta dalelės, išskiriamos iš atomų branduolių, turinčios įvairią pradinę energiją (nuo nulio iki tam tikros didžiausios), turi skirtingus medžiagos diapazonus. Įvairių radioaktyviųjų izotopų beta dalelių prasiskverbimo geba paprastai pasižymi minimaliu medžiagos sluoksnio storiu, kuris visiškai sugeria visas beta daleles. Pavyzdžiui, 3-5 mm storio aliuminio sluoksnis visiškai apsaugo nuo beta dalelių srauto, kurio didžiausia dalelių energija yra 2 MeV. Alfa dalelės, kurių masė yra žymiai didesnė nei beta dalelės, patiria labai daug nedideli nukrypimai nuo pradinės judėjimo krypties ir judėkite beveik tiesiai.  

IN pastaraisiais metais dėka buvo padaryta nemažai svarbių branduolinės fizikos atradimų platus pritaikymas storasluoksnių plokščių metodas (p. Praktika parodė, kad šis metodas apjungia itin paprastumą ir didelį tyrimo tikslumą. Fotografinės plokštės, iškeltos ant zonduojančių balionų ir raketų į viršutinius atmosferos sluoksnius, leidžia tirti kosminių spindulių sukeliamas branduolines transformacijas dalelės, kurių energija tūkstančius kartų didesnė už maksimalią dalelių energiją, pagreitintą laboratorinėmis sąlygomis. Kartu fotografinės plokštės tinka ir mažos energijos dalelėms įrašyti.  

Norėdami išsiaiškinti Šriodingerio lygties sprendimo ypatybes, apsvarstykite mikrodalelės elgesį vienmačio be galo gilaus potencialo „šulinyje“. Šio tipo sąveikos potencialas gamtoje nepastebimas, tačiau jis yra paprasčiausias ir gali parodyti pagrindines sprendimo ypatybes (jis yra arčiausiai potencialo, naudojamo nagrinėjant elektrono elgseną metale). Tokią potencialią „skylę“ apibūdina tokie santykiai for potencinė energija(4 pav.):

U = ¥ 1, 3 srityse x< 0 и x >a; U = 0 2 srityje, kai 0>x>a.

4 pav. Vienmatės be galo gilios „skylės“ potencialo grafikas.

Parašykime stacionarią Šriodingerio lygtį sritims 1, 3, kur U=¥

, (1.14)

jos vienintelis galimas sprendimas yra j=0. Tai reiškia, kad tikimybė rasti dalelę šiose srityse yra lygi nuliui ir dalelė negali ten prasiskverbti.

2 regionui stacionarioji Šriodingerio lygtis turi tokią formą

, (1.15)

iš diferencialinių lygčių teorijos išplaukia, kad jos sprendimas turi formą

Dėl funkcijos j tęstinumo reikalavimo ji turi būti lygi nuliui taškuose x=0 ir x=a, kas išplaukia iš 1, 3 sričių sprendinio. Iš to išplaukia, kad ryšiai Asin(0)+Bcos Turi būti tenkinama (0)=0, Asin(ka)+Bcos(ka)=0 ir, pagal matematiką, tai bus tada, kai B=0 ir ka=pn, kur n yra sveikas skaičius. Taip pat būtina normalizavimo sąlyga (1.12) šiame uždavinyje turi formą

, (1.17)

imant šį integralą, gauname ir dėl to turime galutinę išraišką galimi sprendimai Schrödingerio lygtys duotame uždavinyje

. (1.18)

Šis sprendimas rodo, kad mikrodalelės elgesys vienmačiame be galo giliame potencialo „šulinyje“ gali skirtis priklausomai nuo skaičiaus n reikšmės, jis vadinamas kvantiniu skaičiumi ir laikomas galimos mikrodalelės būsenos skaičiumi.

Panagrinėkime funkcijos j 2 grafikus (5 pav.), kuri pagal (1.8) nustato tikimybę rasti dalelę skirtingus taškus„duobės“ įvairioms valstybėms.

5 pav. Tikimybės rasti dalelę be galo giliame potencialo „šulinyje“ grafikai, kai n = 1, 2, 3. Horizontalios plonos linijos atitinka būsenų energijų reikšmes (energijos diagrama arba galimų energijų lygiai). sistema), storos linijos atitinka funkciją j 2.

Iš 5 paveikslo matyti, kad antroje ir trečioje būsenose mikrodalelė negali būti kai kuriuose „šulinėlio“ A, B, C taškuose, bet gali būti tarp šių taškų. Be to, aišku, kad minimali bendros energijos E 1 vertė, kuri 2 srityje yra kinetinė energija, nėra lygi nuliui, o tai reiškia, kad dalelė nuolat juda. Toks mikrodalelių elgesys labai skiriasi nuo makrodalelių elgesio ir lemia tai, kad klasikinė trajektorijos samprata negali būti naudojama kvantinėje mechanikoje.

Naudodami rastus ryšius ka = pn ir (1.16), gauname visos dalelės energijos išraišką

(1.19)

kuri rodo, kad dalelių energija yra skirtingos valstybės skirtingas ir griežtai apibrėžtas (turi atskirą spektrą). Dalelė negali turėti kitų energijos verčių, kurios galimos atskiros vertės vadinamos kvantiniais energijos lygiais. Panašus mikrodalelių kvantavimas gali vykti ir su kitais parametrais: impulsu, kampiniu momentu.

Jei lygiai taip pat vertintume realesnę situaciją, kai dalelė yra baigtinio gylio vienmačio potencialo „šulinyje“ (U = Uo 1,3 plotuose x< 0 и x >a; U = 0 2 srityje, kai 0 > x > a), tada, skirtingai nei be galo gilaus gręžinio atveju, funkcija j 2 nebus lygi nuliui 1, 3 srityse net esant mažoms dalelių energijoms (6 pav.). .

6 pav. Tikimybės rasti dalelę baigtinio gylio potencialiame „šulinyje“ grafikai, kai n = 1, 2, 3.

Tai reiškia, kad dalelė gali viršyti potencialo „šulinį“, net jei jos energija yra mažesnė nei Uo, kuri yra klasikinė mechanika negali atsitikti. Panašus reiškinys pastebimas vertinant mikrodalelės elgesį šalia vienmatės potencialo „barjeros“ (U = 0 srityse 1,3, kai x< 0 и x >a; U = Uo 2 srityje, kai 0 > x > a). Jei šiuo atveju išspręstume Schrödingerio lygtį, pamatytume, kad dalelė, kurios energija mažesnė nei Uo, gali praeiti pro šią „barjerą“.

Tokie mažai energijos turinčių dalelių, praeinančių per potencialius barjerus, reiškiniai yra grynai kvantiniai ir vadinami „tunelio efektais“. Šie reiškiniai stebimi eksperimentiškai su mikrodalelėmis skirtingos situacijos: lauko emisija - elektronų išsiskyrimas už metalų žemoje temperatūroje, autojonizacija - elektronų išsiskyrimas iš atomų ir molekulių veikiant silpniems elektrinis laukas, kai lauko energijos nepakanka elektronui išstumti klasikinės mechanikos požiūriu. Dalelių fizikoje panašus reiškinys stebimas radioaktyvioje spinduliuotėje, kai alfa dalelės išbėga iš atomų branduolių.

Atomų fizikai labai svarbu atsižvelgti į mikrodalelės elgesį jėgos lauke, kai potencinė energija pagal dėsnį priklauso nuo x koordinatės. , šis atvejis atitinka klasikinę mechaniką harmonines vibracijas m masės kūnas, kurio ciklinis dažnis w o (harmoninis osciliatorius). Maždaug tokie virpesiai mikrodalelių pasaulyje atsiranda atomams judant molekulėje, taip pat molekulėms vibruojant aplink kristalinės gardelės mazgus kietose medžiagose.

Klasikinėje mechanikoje harmoninis osciliatorius gali turėti bet kokią savavališką bendrą energiją E, o didžiausias jo poslinkis iš pusiausvyros padėties (svyravimų amplitudė) x o yra ribojamas ir susijęs su energija ryšiu. Kvantinėje mechanikoje, norint išanalizuoti harmoninio osciliatoriaus judėjimo charakteristikas, būtina išspręsti Schrödingerio lygtį su tam tikra potencine energija

. (1.20)

Tokios diferencialinės lygties sprendimas analitinė forma gana sudėtinga, tačiau kokybiniai požymiai yra panašūs į ankstesnius atvejus. 7 paveiksle pavaizduoti gauto sprendimo grafikai ir galimos energijos vertės.

7 pav. Tikimybės rasti harmoninį osciliatorių grafikai, kai n = 0, 1, 2. Horizontalios, plonos linijos rodo būsenų energijų reikšmes (energijos diagramą arba galimų sistemos energijų lygius), storos linijos rodo j 2 , punktyrinės linijos rodo potencialo tipą.

Galimos bendros energijos reikšmės sprendžiant nustatomos pagal formulę

Iš šios formulės aišku, kad harmoninio osciliatoriaus bendra energija taip pat yra kvantuota, o jo minimali reikšmė, kai n = 0, nėra lygi nuliui, kaip ir ankstesniais atvejais. Nulinio taško energijos buvimas yra grynai kvantinis efektas, tai reiškia, kad net nulinės potencialios energijos srityje dalelė turi nulinę kinetinę energiją ir nulinį impulsą. Tai reiškia, kad mikrodalelė nuolat juda ir negali būti absoliučioje ramybėje.

Nulinio taško svyravimų buvimas buvo patvirtintas atliekant šviesos sklaidos kristaluose eksperimentus. Remiantis klasikine teorija, esant absoliučiai nuliui Kelvino temperatūrai, aplink mazgus atsiranda atominės virpesės kristalinė gardelė ir atitinkamai neturėtų būti šių vibracijų sukeltos šviesos sklaidos. Eksperimentai rodo, kad mažėjant temperatūrai išsklaidytos šviesos intensyvumas mažėja, tačiau net esant labai artimai absoliučiam nuliui, išsklaidytos šviesos intensyvumas nėra lygus nuliui, o tai įrodo nulinio taško svyravimų buvimą.

Visi aukščiau pateikti Schrödingerio lygties sprendimų variantai ir nagrinėtais pavyzdžiais paaiškintų efektų buvimas eksperimentuose rodo, kad reikia naudoti kvantinį mechaninį mikrodalelių elgesio aprašymą.

Borisas Arkadjevičius Chrenovas,
Fizinių ir matematikos mokslų daktaras, pavadintas Branduolinės fizikos tyrimų institutas. D. V. Skobelcyno Maskvos valstybinis universitetas. M. V. Lomonosova
„Mokslas ir gyvenimas“ 2008 m.10 Nr

Praėjo beveik šimtas metų nuo tada, kai buvo atrasti kosminiai spinduliai – įkrautų dalelių srautai, ateinantys iš Visatos gelmių. Nuo tada buvo padaryta daug atradimų, susijusių su kosmine spinduliuote, tačiau vis dar liko daug paslapčių. Vienas iš jų yra bene labiausiai intriguojantis: iš kur atsiranda dalelės, kurių energija didesnė nei 10 20 eV, tai yra beveik milijardas trilijonų elektronų voltų, milijoną kartų didesnis nei bus gaunama galingiausiame greitintuve - Didysis hadronų greitintuvas? Kokios jėgos ir laukai pagreitina daleles iki tokių monstriškų energijų?

Kosminius spindulius 1912 metais atrado austrų fizikas Viktoras Hessas. Jis buvo Radžio instituto Vienoje darbuotojas ir atliko jonizuotų dujų tyrimus. Tuo metu jie jau žinojo, kad visos dujos (įskaitant atmosferą) visada yra šiek tiek jonizuotos, o tai rodė radioaktyviosios medžiagos (pvz., radžio) buvimą dujose arba šalia jonizaciją matuojančio prietaiso, greičiausiai žemės plutoje. Eksperimentai su jonizacijos detektoriaus pakėlimu į balioną buvo sukurti siekiant patikrinti šią prielaidą, nes dujų jonizacija turėtų mažėti didėjant atstumui nuo žemės paviršiaus. Atsakymas buvo priešingas: Hessas atrado tam tikrą spinduliuotę, kurios intensyvumas didėjo didėjant aukščiui. Tai leido manyti, kad jis atkeliavo iš kosmoso, tačiau galutinai įrodyti nežemišką spindulių kilmę pavyko tik po daugybės eksperimentų (W. Hessas Nobelio premija buvo apdovanotas tik 1936 m.). Prisiminkime, kad terminas „radiacija“ nereiškia, kad šie spinduliai yra vien elektromagnetinio pobūdžio (kaip saulės šviesa, radijo bangos ar rentgeno spinduliai); jis buvo naudojamas atrasti reiškinį, kurio prigimtis dar nebuvo žinoma. Ir nors netrukus paaiškėjo, kad pagrindinis kosminių spindulių komponentas yra pagreitintos įkrautos dalelės, protonai, terminas buvo paliktas. Naujo reiškinio tyrimas greitai pradėjo duoti rezultatų, kurie paprastai laikomi „mokslo pažangiausiu žingsniu“.

Labai didelės energijos kosminių dalelių atradimas iš karto (daug anksčiau nei buvo sukurtas protonų greitintuvas) iškėlė klausimą: koks yra įkrautų dalelių pagreitinimo mechanizmas astrofiziniuose objektuose? Šiandien žinome, kad atsakymas pasirodė nebanalus: natūralus, „kosminis“ greitintuvas kardinaliai skiriasi nuo žmogaus sukurtų greitintuvų.

Netrukus paaiškėjo, kad kosminiai protonai, skrisdami per materiją, sąveikauja su jos atomų branduoliais, gimdo iki tol nežinomas nestabilias elementarias daleles (jos visų pirma buvo stebimos Žemės atmosferoje). Jų gimimo mechanizmo tyrimas atvėrė vaisingą kelią elementariųjų dalelių taksonomijos kūrimui. Laboratorijoje jie išmoko pagreitinti protonus ir elektronus ir sukurti didžiulius jų srautus, nepalyginamai tankesnius nei kosminiuose spinduliuose. Galų gale, eksperimentai, susiję su dalelių, kurios gavo energiją greitintuvuose, sąveikos paskatino sukurti moderni tapyba mikropasaulis.

1938 m. prancūzų fizikas Pierre'as Augeris atrado nuostabų reiškinį – antrinių kosminių dalelių lietus, atsirandančius dėl pirminių protonų ir branduolių sąveikos nepaprastai didelės energijos su atmosferos atomų branduoliais. Paaiškėjo, kad kosminių spindulių spektre yra dalelių, kurių energija yra 10 15 –10 18 eV – milijonus kartų didesnė už laboratorijoje pagreitintų dalelių energiją. Akademikas Dmitrijus Vladimirovičius Skobelcynas davė ypatinga prasmė tirdamas tokias daleles ir iškart po karo, 1947 m., kartu su artimiausiais kolegomis G. T. Zatsepinu ir N. A. Dobrotinu, organizavo išsamius antrinių dalelių kaskadų atmosferoje tyrimus, vadinamus ekstensyviais oro dušais (EAS). Pirmųjų kosminių spindulių tyrimų istoriją galima rasti N. Dobrotino ir V. Rossi knygose. Laikui bėgant D.V. Skobeltsyna išaugo į vieną stipriausių pasaulyje ir ilgus metus nulėmė pagrindines itin didelės energijos kosminių spindulių tyrimo kryptis. Jos metodai leido išplėsti tiriamų energijų diapazoną nuo 10 9 iki 10 13 eV, užfiksuotų balionai ir palydovai, iki 10 13 –10 20 eV. Du aspektai padarė šias studijas ypač patrauklias.

Pirma, atsirado galimybė panaudoti pačios gamtos sukurtus didelės energijos protonus, tiriant jų sąveiką su atmosferos atomų branduoliais ir iššifruoti pačią smulkiausią elementariųjų dalelių struktūrą.

Antra, erdvėje tapo įmanoma rasti objektų, galinčių pagreitinti daleles iki itin didelės energijos.

Pirmasis aspektas pasirodė ne toks vaisingas, kaip tikėtasi: smulkiajai elementariųjų dalelių struktūrai tirti prireikė daug daugiau duomenų apie protonų sąveiką, nei gali pateikti kosminiai spinduliai. Tuo pat metu svarbų indėlį į mikropasaulio supratimą įnešė daugumos priklausomybės tyrimas. bendrosios charakteristikos protonų sąveika su jų energija. Būtent tiriant EAS buvo atrasta antrinių dalelių skaičiaus ir jų energijos pasiskirstymo priklausomybės nuo pirminės dalelės energijos ypatybė, susijusi su elementariųjų dalelių kvarko-gliuono struktūra. Šie duomenys vėliau buvo patvirtinti eksperimentuose su greitintuvais.

Šiandien buvo sukurti patikimi kosminių spindulių sąveikos su atmosferos atomų branduoliais modeliai, kurie leido ištirti didžiausios energijos pirminių jų dalelių energijos spektrą ir sudėtį. Tapo aišku, kad kosminiai spinduliai vaidina ne mažesnį vaidmenį Galaktikos vystymosi dinamikoje nei jos laukai ir tarpžvaigždinių dujų srautai: kosminių spindulių, dujų ir magnetinio lauko savitoji energija yra apytiksliai lygi 1 eV/cm 3. Esant tokiai energijos pusiausvyrai tarpžvaigždinėje terpėje, natūralu manyti, kad kosminių spindulių dalelių pagreitis greičiausiai įvyksta tuose pačiuose objektuose, kurie yra atsakingi už šildymą ir dujų išsiskyrimą, pavyzdžiui, naujovėse ir supernovose jų sprogimo metu.

Pirmąjį kosminių spindulių pagreičio mechanizmą pasiūlė Enrico Fermi protonams, chaotiškai susidūrusiems su įmagnetintais tarpžvaigždinės plazmos debesimis, tačiau negalėjo paaiškinti visų eksperimentinių duomenų. 1977 metais akademikas Hermogenas Filippovich Krymsky parodė, kad šis mechanizmas turėtų daug stipriau paspartinti daleles supernovos liekanose smūginių bangų frontuose, kurių greitis yra eilėmis didesnis nei debesų greitis. Šiandien patikimai įrodyta, kad kosminių protonų ir branduolių pagreičio mechanizmas smūgine banga supernovų apvalkaluose yra veiksmingiausias. Tačiau vargu ar pavyks jį atgaminti laboratorinėmis sąlygomis: pagreitis vyksta gana lėtai ir reikalauja milžiniškų energijos kiekių, kad sulaikytų pagreitėjusias daleles. Supernovos apvalkaluose šios sąlygos egzistuoja dėl paties sprogimo pobūdžio. Pastebėtina, kad kosminių spindulių pagreitis vyksta unikaliame astrofiziniame objekte, kuris yra atsakingas už sunkiųjų branduolių (sunkesnių už helią), iš tikrųjų esančių kosminiuose spinduliuose, sintezę.

Mūsų galaktikoje yra keletas žinomų, mažiau nei tūkstančio metų senumo supernovų, kurios buvo stebimos plika akimi. Žymiausi yra Krabo ūkas Tauro žvaigždyne („krabas“ yra 1054 m. Supernovos sprogimo liekana, pažymėta rytų kronikose), Kasiopėja-A (1572 m. pastebėta astronomas Tycho Brahe) ir Keplerio supernova. Ophiuchus žvaigždyne (1680). Jų apvalkalų skersmuo šiandien yra 5–10 šviesmečių (1 šviesmetis = 10 16 m), tai yra, jie plečiasi maždaug 0,01 šviesos greičio greičiu ir yra maždaug dešimties tūkstančių šviesos atstumu. metų nuo Žemės. Supernovų apvalkalai („ūkai“) buvo pastebėti optiniuose, radijo, rentgeno ir gama spindulių diapazonuose Chandros, Hablo ir Spitzerio kosminėse observatorijose. Jie patikimai parodė, kad elektronų ir protonų pagreitis, lydimas rentgeno spinduliuotės, iš tikrųjų vyksta apvalkaluose.

Maždaug 60 supernovų liekanų, jaunesnių nei 2000 metų, galėtų užpildyti tarpžvaigždinę erdvę kosminiais spinduliais, kurių specifinė energija išmatuota (~1 eV/cm 3), o žinoma mažiau nei dešimt. Šis trūkumas paaiškinamas tuo, kad Galaktikos plokštumoje, kurioje telkiasi žvaigždės ir supernovos, yra daug dulkių, kurios nepraleidžia šviesos stebėtojui Žemėje. Stebėjimai rentgeno ir gama spinduliais, kurių dulkių sluoksnis yra skaidrus, leido išplėsti stebimų „jaunų“ supernovų apvalkalų sąrašą. Paskutinis toks apvalkalas, kuris buvo atrastas iš naujo, buvo Supernova G1.9+0.3, stebimas Chandra rentgeno teleskopu nuo 2008 m. sausio mėn. Jo apvalkalo dydžio ir plėtimosi greičio vertinimai rodo, kad jis suliepsnojo maždaug prieš 140 metų, tačiau nebuvo matomas optiniame diapazone, nes galaktikos dulkių sluoksnis visiškai sugėrė jo šviesą.

Duomenys apie supernovas, sprogstančias mūsų Paukščių Tako galaktikoje, papildyti daug turtingesne statistika apie supernovas kitose galaktikose. Tiesioginis pagreitintų protonų ir branduolių buvimo patvirtinimas yra gama spinduliuotė su didelės energijos fotonais, atsirandančiais dėl neutralių pionų skilimo - protonų (ir branduolių) sąveikos su šaltinio medžiaga produktai. Tokie didelės energijos fotonai stebimi naudojant teleskopus, kurie aptinka antrinių EAS dalelių skleidžiamą Vavilovo-Čerenkovo ​​švytėjimą. Pažangiausias tokio tipo instrumentas yra šešių teleskopų matrica, sukurta bendradarbiaujant su HESS Namibijoje. Pirmieji buvo išmatuoti Krabo gama spinduliai, o jo intensyvumas tapo kitų šaltinių intensyvumo matu.

Gautas rezultatas ne tik patvirtina, kad supernovoje yra protonų ir branduolių pagreičio mechanizmas, bet ir leidžia įvertinti pagreitintų dalelių spektrą: „antrinių“ gama spindulių ir „pirminių“ protonų ir branduolių spektrai yra labai arti. Krabo magnetinis laukas ir jo dydis leidžia pagreitinti protonus iki 10 15 eV energijos. Kosminių spindulių dalelių spektrai šaltinyje ir tarpžvaigždinėje terpėje šiek tiek skiriasi, nes dalelių išėjimo iš šaltinio tikimybė ir dalelių gyvavimo trukmė Galaktikoje priklauso nuo dalelės energijos ir krūvio. Netoli Žemės išmatuotų kosminių spindulių energijos spektro ir sudėties palyginimas su spektru ir sudėtimi šaltinyje leido suprasti, kiek laiko dalelės keliauja tarp žvaigždžių. Netoli Žemės esančiuose kosminiuose spinduliuose ličio, berilio ir boro branduolių buvo žymiai daugiau nei šaltinyje – jų papildomas skaičius atsiranda dėl sunkesnių branduolių sąveikos su tarpžvaigždinėmis dujomis. Išmatavę šį skirtumą, apskaičiavome sumą X medžiaga, pro kurią klajodami tarpžvaigždinėje terpėje praėjo kosminiai spinduliai. Branduolinėje fizikoje medžiagos kiekis, su kuriuo dalelė susiduria savo kelyje, matuojamas g/cm2. Taip yra dėl to, kad norint apskaičiuoti dalelių srauto sumažėjimą susidūrus su materijos branduoliais, reikia žinoti dalelės susidūrimų skaičių su branduoliais, kurių skersai krypčiai yra skirtingos zonos (skyriai). dalelės. Išreiškus medžiagos kiekį šiais vienetais, gaunama viena matavimo skalė visiems branduoliams.

Eksperimentiškai rasta vertė X~ 5–10 g/cm2 leidžia įvertinti tarnavimo laiką t kosminiai spinduliai tarpžvaigždinėje terpėje: t ≈ X/ρ c, Kur c- dalelių greitis maždaug lygus šviesos greičiui, ρ ~10 –24 g/cm 3 - vidutinis tarpžvaigždinės terpės tankis. Vadinasi, kosminių spindulių gyvenimo trukmė yra apie 10 8 metus. Šis laikas yra daug ilgesnis nei greičiu judančios dalelės skrydžio laikas Su tiesia linija nuo šaltinio iki Žemės (3·10 4 metai atokiausiems šaltiniams priešingoje galaktikos pusėje). Tai reiškia, kad dalelės nejuda tiesia linija, o patiria sklaidą. Chaotiški galaktikų magnetiniai laukai, kurių indukcija B ~ 10 –6 gauss (10 –10 tesla), juda jas apskritimu, kurio spindulys (girosardius) R = E/3 × 10 4 B, kur R m, E- dalelių energija eV, V - magnetinio lauko indukcija gausais. Esant vidutinei dalelių energijai E

Maždaug tiesia linija iš šaltinio ateis tik energijos turinčios dalelės E> 10 19 eV. Todėl dalelių, kurių energija mažesnė nei 10 19 eV, kurios sukuria EAS, kryptis nenurodo jų šaltinio. Šiame energijos regione belieka stebėti antrinę spinduliuotę, kurią pačiuose šaltiniuose generuoja protonai ir kosminių spindulių branduoliai. Stebimoje gama spinduliuotės energijos srityje ( E

Kosminių spindulių kaip „vietinio“ galaktikos reiškinio idėja pasirodė teisinga tik vidutinės energijos dalelėms. E

1958 metais Georgijus Borisovičius Christiansenas ir vokietis Viktorovičius Kulikovas atrado staigus pokytis kosminių spindulių energijos spektro tipas, kai energija yra 3·10 15 eV. Kai energija yra mažesnė už šią vertę, eksperimentiniai dalelių spektro duomenys paprastai buvo pateikiami „galios dėsnio“ forma, kad dalelių skaičius N su tam tikra energija E buvo laikoma atvirkščiai proporcinga dalelės energijai γ galiai: N(E) = a/Eγ (γ yra diferencinio spektro indikatorius). Iki 3·10 15 eV energijos rodiklis γ = 2,7, tačiau pereinant prie aukštesnių energijų energijos spektras patiria „lūžio“: energijoms E> 3·10 15 eV γ tampa 3,15. Natūralu šį spektro pokytį sieti su pagreitėjusių dalelių energijos artėjimu prie maksimalaus. galima prasmė, apskaičiuotas supernovų pagreičio mechanizmui. Šį spektro lūžio paaiškinimą taip pat patvirtina pirminių dalelių branduolinė sudėtis energijos diapazone 10 15 – 10 17 eV. Patikimiausią informaciją apie tai teikia sudėtingos EAS instaliacijos - „MGU“, „Tunka“, „Tibet“, „Cascade“. Jų pagalba gaunama ne tik informacija apie pirminių branduolių energiją, bet ir parametrus, priklausančius nuo jų atominių skaičių - dušo „pločio“, elektronų ir miuonų skaičiaus santykio, tarp energingiausių branduolių skaičiaus. elektronų ir jų bendro skaičiaus. Visi šie duomenys rodo, kad padidėjus pirminių dalelių energijai nuo kairiosios spektro ribos prieš jo lūžį iki energijos po lūžio, jų vidutinė masė didėja. Šis dalelių masės sudėties pokytis atitinka Supernovos dalelių pagreičio modelį – jį riboja maksimali energija, kuri priklauso nuo dalelės krūvio. Protonams ši maksimali energija yra 3 · 10 15 eV ir didėja proporcingai pagreitintos dalelės (branduolių) krūviui, todėl geležies branduoliai efektyviai pagreitėja iki ~10 17 eV. Dalelių srautų, kurių energija viršija maksimumą, intensyvumas sparčiai mažėja.

Bet dar didesnės energijos (~3·10 18 eV) dalelių registracija parodė, kad kosminių spindulių spektras ne tik nenutrūksta, bet grįžta į prieš lūžį stebėtą formą!

Energijos spektro matavimai „itin didelės“ energijos regione ( E> 10 18 eV) yra labai sunkūs dėl mažo tokių dalelių skaičiaus. Norint stebėti šiuos retus įvykius, būtina sukurti detektorių tinklą EAS dalelių ir jų sukuriamos Vavilovo-Čerenkovo ​​spinduliuotės ir jonizacijos spinduliuotei (atmosferos fluorescencijai) srautui atmosferoje šimtų ir net tūkstančių plote. kvadratinių kilometrų. Tokiems dideliems, sudėtingiems įrenginiams parenkamos vietos su ribota ūkine veikla, tačiau galinčios užtikrinti patikimą daugybės detektorių veikimą. Tokie įrenginiai pirmiausia buvo statomi dešimčių kvadratinių kilometrų plotuose (Jakutskas, Haveros parkas, Akeno), vėliau šimtuose (AGASA, Fly's Eye, HiRes), o galiausiai dabar kuriami tūkstančiai kvadratinių kilometrų (Pierre'o Augerio observatorija m. Argentina, teleskopinė instaliacija Juta, JAV).

Kitas itin didelės energijos kosminių spindulių tyrimo žingsnis bus EAS aptikimo metodo sukūrimas stebint atmosferos fluorescenciją iš kosmoso. Bendradarbiaudama su keliomis šalimis Rusija kuria pirmąjį kosminį EAS detektorių – projektą TUS. Dar vienas toks detektorius turėtų būti įrengtas Tarptautinėje kosminė stotis ISS (JEM-EUSO ir KLPVE projektai).

Ką šiandien žinome apie itin didelės energijos kosminius spindulius? Apatiniame paveikslėlyje parodytas kosminių spindulių, kurių energija viršija 10 18 eV, energijos spektras, gautas naudojant naujausios kartos įrenginius (HiRes, Pierre'o Augerio observatorija) kartu su duomenimis apie žemesnės energijos kosminius spindulius, kurie, kaip parodyta aukščiau, priklauso Paukščių Tako galaktika. Matyti, kad esant energijai 3·10 18 –3·10 19 eV, diferencinio energijos spektro indeksas sumažėjo iki 2,7–2,8 vertės, lygiai tokios pat, kaip ir galaktikos kosminiams spinduliams, kai dalelių energija yra daug mažesnė už didžiausias įmanomas galaktikos greitintuvams . Ar tai nerodo, kad esant itin didelėms energijoms pagrindinį dalelių srautą sukuria ekstragalaktinės kilmės greitintuvai, kurių maksimali energija yra žymiai didesnė nei galaktinės? Galaktikos kosminių spindulių spektro lūžis rodo, kad ekstragalaktinių kosminių spindulių indėlis staigiai keičiasi pereinant iš vidutinio energijų 10 14 – 10 16 eV regiono, kur jis yra maždaug 30 kartų mažesnis už galaktikos indėlį (spektras). pažymėta punktyrine linija paveiksle), į itin didelės energijos sritį, kur ji tampa dominuojančia.

IN paskutiniais dešimtmečiais Sukaupta daug astronominių duomenų apie ekstragalaktinius objektus, galinčius pagreitinti įkrautas daleles iki daug didesnės nei 10 19 eV energijos. Akivaizdus ženklas, kad dydžio objektas D gali pagreitinti daleles iki energijos E, yra magnetinio lauko B buvimas visame šiame objekte, todėl dalelės giros spindulys yra mažesnis D. Tokie potencialūs šaltiniai yra radijo galaktikos (skleidžiančios stiprią radijo spinduliuotę); aktyvių galaktikų branduoliai, kuriuose yra juodųjų skylių; susiduriančios galaktikos. Visuose juose yra dujų (plazmos) čiurkšlės, judančios milžinišku greičiu, artėjančios prie šviesos greičio. Tokie purkštukai atlieka smūginių bangų, būtinų akceleratoriaus veikimui, vaidmenį. Norint įvertinti jų indėlį į stebimą kosminių spindulių intensyvumą, būtina atsižvelgti į šaltinių pasiskirstymą atstumu nuo Žemės ir dalelių energijos nuostolius tarpgalaktinėje erdvėje. Prieš atrandant foninį kosminį radijo spinduliavimą, tarpgalaktinė erdvė atrodė „tuščia“ ir skaidri ne tik elektromagnetinei spinduliuotei, bet ir itin didelės energijos dalelėms. Dujų tankis tarpgalaktinėje erdvėje, astronominiais duomenimis, yra toks mažas (10 –29 g/cm 3), kad net milžiniškais šimtų milijardų šviesmečių (10 24 m) atstumais dalelės nesusiduria su dujų branduoliais. atomai. Tačiau kai paaiškėjo, kad Visata užpildyta mažos energijos fotonais (maždaug 500 fotonų/cm 3 energijos E f ~10 –3 eV), likę po Didžiojo sprogimo, paaiškėjo, kad protonai ir branduoliai, kurių energija didesnė E~5·10 19 eV, Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) riba, turi sąveikauti su fotonais ir prarasti b O didžiąją dalį savo energijos. Taigi didžioji Visatos dalis, esanti didesniu nei 10 7 šviesmečių atstumu nuo mūsų, pasirodė esanti neprieinama stebėti spinduliais, kurių energija didesnė nei 5 · 10 19 eV. Naujausi eksperimentiniai duomenys apie itin didelės energijos kosminių spindulių spektrą (HiRes instaliacija, Pierre'o Augerio observatorija) patvirtina, kad egzistuoja ši iš Žemės stebimų dalelių energijos riba.

Kaip matote, ištirti itin didelės energijos kosminių spindulių kilmę yra nepaprastai sunku: dauguma galimų aukščiausios energijos (virš GZK ribos) kosminių spindulių šaltinių yra taip toli, kad dalelės praranda įgytą energiją. prie šaltinio pakeliui į Žemę. O esant energijai, mažesnei už GZK ribą, Galaktikos magnetinio lauko dalelių nukreipimas vis dar yra didelis, o dalelių atvykimo kryptis greičiausiai negalės nurodyti šaltinio padėties dangaus sferoje.

Ieškant itin didelės energijos kosminių spindulių šaltinių, naudojama eksperimentiškai išmatuotos pakankamai didelės energijos dalelių atvykimo krypties koreliacijos analizė – tokia, kad Galaktikos laukai šiek tiek nukreiptų daleles nuo krypties link. šaltinis. Ankstesnės kartos įrenginiai dar nepateikė įtikinamų duomenų apie dalelių atvykimo krypties koreliaciją su kokios nors specialiai parinktos astrofizinių objektų klasės koordinatėmis. Naujausius Pierre'o Augerio observatorijos duomenis galima laikyti viltimi artimiausiais metais gauti duomenų apie AGN tipo šaltinių vaidmenį kuriant intensyvius dalelių srautus, kurių energija yra GZK ribos eilės tvarka.

Įdomu tai, kad AGASA instaliacija gavo ženklų, kad egzistuoja „tuščios“ kryptys (tos, kuriose nėra žinomų šaltinių), iš kurių stebėjimo metu atkeliauja dvi ar net trys dalelės. Tai sukėlė didelį fizikų, užsiimančių kosmologija – mokslu apie Visatos atsiradimą ir vystymąsi, neatsiejamai susijusį su elementariųjų dalelių fizika, susidomėjimą. Pasirodo, kai kurie mikrokosmoso sandaros ir Visatos raidos modeliai (Didžiojo sprogimo teorija) numato, kad šiuolaikinėje Visatoje išliks supermasyvios elementariosios dalelės, kurių masė yra 10 23 -10 24 eV, iš kurių medžiaga turėtų būti ankstyviausia Didžiojo sprogimo stadija. Jų pasiskirstymas Visatoje nėra labai aiškus: jie gali būti tolygiai pasiskirstę erdvėje arba „pritraukti“ į masyvias Visatos sritis. Pagrindinis jų bruožas yra tas, kad šios dalelės yra nestabilios ir gali suirti į lengvesnes, įskaitant stabilius protonus, fotonus ir neutrinus, kurie įgyja milžinišką kinetinę energiją – daugiau nei 10 20 eV. Vietos, kuriose saugomos tokios dalelės (topologiniai Visatos defektai), gali pasirodyti esąs protonų, fotonų ar itin didelės energijos neutrinų šaltiniais.

Kaip ir galaktikos šaltinių atveju, ekstragalaktinių itin didelės energijos kosminių spindulių greitintuvų egzistavimą patvirtina duomenys iš gama spindulių detektorių, pavyzdžiui, HESS teleskopų, nukreiptų į aukščiau minėtus ekstragalaktinius objektus – kandidatus į kosminių spindulių šaltinius.

Tarp jų perspektyviausi buvo aktyvūs galaktikos branduoliai (AGN) su dujų srovėmis. Vienas iš labiausiai ištirtų objektų HESS instaliacijoje yra M87 galaktika Mergelės žvaigždyne, 50 milijonų šviesmečių atstumu nuo mūsų galaktikos. Jos centre yra juodoji skylė, kuri aprūpina energiją šalia jos vykstantiems procesams ir ypač milžiniškai šiai galaktikai priklausančiai plazmos srovei. Kosminių spindulių pagreitį M87 tiesiogiai patvirtina jo gama spinduliuotės stebėjimai, fotonų, kurių energija yra 1–10 TeV (10 12–10 13 eV), energijos spektras, stebimas HESS įrenginyje. Stebimas gama spinduliuotės intensyvumas iš M87 yra maždaug 3% Krabo intensyvumo. Atsižvelgiant į atstumo iki šių objektų skirtumą (5000 kartų), tai reiškia, kad M87 šviesumas viršija krabo šviesumą 25 milijonus kartų!

Šiam objektui sukurti dalelių pagreičio modeliai rodo, kad M87 paspartintų dalelių intensyvumas gali būti toks didelis, kad net 50 milijonų šviesmečių atstumu šio šaltinio indėlis gali sukurti stebimą kosminių spindulių, kurių energija viršija 10 19 eV, intensyvumą. .

Tačiau čia yra paslaptis: šiuolaikiniuose EAS duomenyse apie šį šaltinį nėra dalelių, kurių energija yra 10 19 eV, pertekliaus. Bet ar šis šaltinis neatsiras būsimų kosminių eksperimentų rezultatuose, esant tokioms energijoms, kai tolimi šaltiniai nebeprisideda prie stebimų įvykių? Situacija su energijos spektro pertrauka gali pasikartoti dar kartą, pavyzdžiui, esant 2·10 20 energijai. Tačiau šį kartą šaltinis turėtų būti matomas matuojant pirminės dalelės trajektorijos kryptį, nes energijos > 2·10 20 eV yra tokios didelės, kad dalelės neturėtų būti nukreiptos galaktikos magnetiniuose laukuose.

Kaip matome, po šimtą metų trukusios kosminių spindulių tyrimo istorijos, mūsų vėl laukia nauji atradimai, šį kartą itin didelės energijos kosminė spinduliuotė, kurios prigimtis vis dar nežinoma, bet gali atlikti tam tikrą vaidmenį. svarbus vaidmuo Visatos struktūroje.

Literatūra:
1) Dobrotin N.A. Kosminiai spinduliai. - M.: Leidykla. SSRS mokslų akademija, 1963 m.
2) Murzinas V.S. Kosminių spindulių fizikos įvadas. - M.: Leidykla. Maskvos valstybinis universitetas, 1988 m.
3) Panasyukas M. I. Visatos nepažįstamieji, arba Didžiojo sprogimo aidai. - Fryazino: „Vek2“, 2005 m.
4) Rossi B. Kosminiai spinduliai. - M.: Atomizdat, 1966 m.
5) Chrenovas B.A. Reliatyvistiniai meteorai// Mokslas Rusijoje, 2001, Nr.4.
6) Chrenovas B.A. ir Panasyuk M.I. Kosmoso pasiuntiniai: toli ar arti?// Gamta, 2006, Nr.2.
7) Chrenovas B.A. ir Klimovas P.A. Tikimasi atidarymo// Gamta, 2008, Nr.4.

12.4. Energija reliatyvistinė dalelė

12.4.1. Reliatyvistinės dalelės energija

Bendra energija Reliatyvistinė dalelė susideda iš likusios reliatyvistinės dalelės energijos ir jos kinetinės energijos:

E = E 0 + T ,

Masės ir energijos ekvivalentiškumas(Einšteino formulė) leidžia mums nustatyti reliatyvistinės dalelės poilsio energiją ir jos bendrą energiją taip:

• poilsio energija -

E 0 = m 0 c 2,

čia m 0 – likusi reliatyvistinės dalelės masė (dalelės masė savo atskaitos sistemoje); c – šviesos greitis vakuume, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s;

• bendra energija -

E = mc2,

čia m – judančios dalelės masė (reliatyvistiniu greičiu v judančios dalelės masė stebėtojo atžvilgiu); c – šviesos greitis vakuume, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

Santykis tarp masių m 0 (dalelės masė ramybės būsenoje) ir m (judančios dalelės masė) nustatomi pagal išraišką

Kinetinė energija Reliatyvistinė dalelė nustatoma pagal skirtumą:

T = E - E 0,

čia E yra bendra judančios dalelės energija, E = mc 2; E 0 - nurodytos dalelės ramybės energija, E 0 = m 0 c 2 ; masės m 0 ir m yra susietos pagal formulę

m = m 0 1 − v 2 c 2,

čia m 0 – atskaitos sistemoje esančios dalelės masė, kurios atžvilgiu dalelė yra ramybės būsenoje; m – atskaitos sistemoje esančios dalelės masė, kurios atžvilgiu dalelė juda greičiu v; c – šviesos greitis vakuume, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

Aiškiai kinetinė energija reliatyvistinė dalelė apibrėžiama formule

T = m c 2 - m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 1 - v 2 c 2 - 1).

6 pavyzdys. Reliatyvistinės dalelės greitis yra 80% šviesos greičio. Nustatykite, kiek kartų bendra dalelės energija yra didesnė už jos kinetinę energiją.

Sprendimas. Bendra reliatyvistinės dalelės energija susideda iš likusios reliatyvistinės dalelės energijos ir jos kinetinės energijos:

E = E 0 + T ,

čia E – visa judančios dalelės energija; E 0 - nurodytos dalelės ramybės energija; T yra jo kinetinė energija.

Iš to išplaukia, kad skirtumas yra kinetinė energija

T = E − E 0 .

Reikalingas kiekis yra santykis

E T = E E − E 0 .

Norėdami supaprastinti skaičiavimus, suraskime atvirkštinę norimos vertės vertę:

T E = E - E 0 E = 1 - E 0 E ,

kur E 0 = m 0 c 2; E = mc2; m 0 - ramybės masė; m – judančios dalelės masė; c yra šviesos greitis vakuume.

E0 ir E išraiškas pakeitus santykiu (T/E), gaunama

T E = 1 - m 0 c 2 m c 2 = 1 - m 0 m.

Santykis tarp masių m 0 ir m nustatomas pagal formulę

m = m 0 1 − v 2 c 2,

čia v – reliatyvistinės dalelės greitis, v = 0,80c.

Išreikškime masės santykį iš čia:

m 0 m = 1 − v 2 c 2

ir pakeiskite jį į (T/E):

T E = 1 − 1 − v 2 c 2 .

Paskaičiuokime:

T E = 1 − 1 − (0,80 c) 2 c 2 = 1 − 0,6 = 0,4.

Reikalingas kiekis yra atvirkštinis santykis

E T = 1 0,4 = 2,5 .

Bendra reliatyvistinės dalelės energija nurodytu greičiu viršija jos kinetinę energiją 2,5 karto.

2015 m. liepos 16 d., 00:57

Paklauskite Etano Nr. 14: Aukščiausios Visatos energijos dalelės

• Populiarusis mokslas,
• Fizika

• Vertimas

Mano stebėjimų rezultatus geriausiai paaiškina prielaida, kad didžiulės prasiskverbiančios energijos spinduliuotė patenka į mūsų atmosferą iš viršaus.
- Viktoras Hessas

Galite pamanyti, kad galingiausi dalelių greitintuvai – SLAC, Fermilab, LHC – yra didžiausių energijų, kurias galėsime pamatyti, šaltiniai. Tačiau viskas, ką mes stengiamės daryti žemėje, negali būti lyginama natūralių procesų Visata.

Skaitytojas klausia:

Nuo tada, kai vaikystėje pradėjau skaityti „Fantastinio ketverto“ komiksus, norėjau daugiau sužinoti apie kosminius spindulius. Ar galite man tai padėti?

Pažiūrėkime.

Dar prieš Jurijui Gagarinui paliekant mūsų planetos paviršių, buvo plačiai žinoma, kad ten, be atmosferos apsaugos, erdvė užpildyta didelės energijos spinduliuote. Kaip mes apie tai sužinojome?

Pirmieji įtarimai kilo atliekant paprastus eksperimentus su elektroskopu.

Jei duosi elektros krūvis toks prietaisas, kuriame du metaliniai lapai yra sujungti vienas su kitu - jie gaus tas pats mokestis ir atstums. Galite tikėtis, kad laikui bėgant įkrova pateks į aplinkinį orą, todėl galite galvoti apie įrenginio izoliaciją, pavyzdžiui, sukuriant aplink jį vakuumą.

Bet ir šiuo atveju elektroskopas išsikrauna. Net jei izoliuosite jį švinu, jis vis tiek išsikraus. Kaip eksperimentatoriai atrado XX amžiaus pradžioje, kuo aukščiau pakelsite elektroskopą, tuo greičiau jis išsikraus. Keletas mokslininkų iškėlė hipotezę – iškrova atsiranda dėl didelės energijos spinduliuotės. Jis turi didelę prasiskverbimo energiją ir kilęs už Žemės ribų.

Moksle įprasta tikrinti hipotezes. 1912 metais Viktoras Hessas atliko eksperimentą su balionas, kuriame jis bandė rasti šias didelės energijos kosmines daleles. Ir jis rado jų gausybę, tapdamas kosminių spindulių tėvu.

Ankstyvieji detektoriai buvo stebėtinai paprasti. Sukuriate specialią emulsiją, kuri „jaučia“ įkrautų dalelių prasiskverbimą per ją, ir visa tai pastatote į magnetinį lauką. Kai dalelės praeina per tai, galite sužinoti du svarbius dalykus:

• dalelės krūvio ir masės santykis
• ir jo greitis

kurios priklauso nuo to, kaip krypsta dalelės kelias. Tai galima apskaičiuoti žinant taikomo magnetinio lauko stiprumą.

XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje keli eksperimentai, tiek su ankstyvaisiais antžeminiais greitintuvais, tiek su kosminių spindulių detektoriais, davė daug įdomi informacija. Pavyzdžiui, dauguma kosminės spinduliuotės dalelių (90%) turėjo skirtingi lygiai energijos – nuo ​​kelių megaelektrovoltų iki tokių didelių energijų, kokias galėtumėte išmatuoti! Didžioji dalis likusių buvo alfa dalelės arba helio branduoliai su dviem protonais ir neutronais, kurių energijos lygis panašus.

Kai šie kosminiai spinduliai susitinka viršutinė dalisŽemės atmosfera, jie sąveikauja su ja ir generuoja kaskadines reakcijas, kurios sukuria didelės energijos dalelių lietų, įskaitant dvi naujas: pozitroną, apie kurio egzistavimą 1930 m. iškėlė Dirakas. Tai elektrono atitikmuo iš antimaterijos pasaulio, tos pačios masės, bet turintis teigiamą krūvį, o miuonas yra nestabili dalelė, turinti tokį patį krūvį kaip ir elektronas, bet 206 kartus sunkesnis. Pozitroną atrado Carlas Andersenas 1932 m., o miuoną – jis ir jo mokinys Sethas Neddermeieris – 1936 m., tačiau pirmąjį pozitroną prieš keletą metų atrado Paulas Kuenze, kurį istorija kažkodėl pamiršo.

Nuostabus dalykas: jei ištiesi ranką lygiagrečiai žemei, pro ją kas sekundę praeis maždaug 1 miuonas.

Kiekvienas miuonas, einantis per tavo ranką, gimsta kosminių spindulių lietuje ir kiekvienas iš jų patvirtina specialioji teorija reliatyvumas! Matote, šie miuonai yra sukurti maždaug 100 km aukštyje, tačiau vidutinė miuono gyvenimo trukmė yra apie 2,2 mikrosekundės. Net jei jie judėtų šviesos greičiu, iki suirimo jie galėtų nukeliauti ne daugiau kaip 660 metrų. Tačiau dėl laiko iškraipymo, nes dalelės, judančios arti šviesos greičio, laikas sulėtėja stacionaraus stebėtojo požiūriu, šie greitai judantys miuonai gali nukeliauti iki pat žemės paviršiaus prieš suirdami.

Jei paskubėtume į šiandieną, mes tiksliai išmatavome šių kosminių dalelių skaičių ir energijos spektrą.

Dažniausiai yra maždaug 100 GeV energijos dalelės, pro kurias praeina maždaug 1 dalelė. kvadratinis metrasŽemės paviršiaus kas sekundę. Ir, nors yra didesnės energijos dalelių, jų pasitaiko daug rečiau – kuo rečiau, tuo daugiau energijos pasiimame. Pavyzdžiui, jei imsime 10 16 eV energiją, tai tokios dalelės per kvadratinį metrą prasiskverbs tik kartą per metus. O didžiausios energijos dalelės, kurių energija yra 5 × 10 10 GeV (arba 5 × 10 19 eV), kartą per metus prasiskverbs per detektorių, kurio kraštinė yra 10 km.

Ši idėja atrodo gana keistai – ir vis dėlto yra priežastis ją įgyvendinti: turi būti ribojama kosminių spindulių energija ir protonų greičio riba Visatoje! Energijai, kurią galime perduoti protonui, gali būti neribotos: įkrautos dalelės gali būti pagreitintos naudojant magnetinius laukus, o didžiausios ir aktyviausios Visatos juodosios skylės gali pagreitinti protonus iki energijos, daug didesnės nei mes stebėjome.

Tačiau jie turi keliauti per Visatą, kad pasiektų mus, o Visata užpildyta daug šaltos, mažai energijos turinčios spinduliuotės – kosminės foninės spinduliuotės.

Didelės energijos dalelės susidaro tik tuose regionuose, kur yra masyviausios ir aktyviausios Visatos juodosios skylės, ir visos jos yra labai toli nuo mūsų galaktikos. Ir jei atsiranda dalelė, kurios energija viršija 5 × 10 10 GeV, ji gali nukeliauti ne daugiau kaip kelis milijonus šviesmečių, kol vienas iš fotonų, likusių po Didžiojo sprogimo, sąveikaus su ja ir sukurs pioną. Energijos perteklius bus išmestas, o likusi energija nukris iki ribos kosminė energija, žinoma kaip Greisen-Zatsepin-Kuzmin riba.

Taigi padarėme vienintelį dalyką, kuris atrodo pagrįstas fizikams: pastatėme nerealiai didžiulį detektorių ir pradėjome ieškoti dalelių!

Observatorija pavadinta Pierre'as Augeris būtent tai ir daro: patvirtina, kad yra kosminių spindulių, kurie pasiekia, bet neįveikia šią energijos ribą, 10 milijonų kartų didesnę už energiją, pasiekiamą LHC! Tai reiškia, kad greičiausi protonai, su kuriais mes kada nors susidūrėme, skrieja beveik šviesos greičiu (tai lygiai 299 792 458 m/s), bet šiek tiek lėčiau. Bet kiek lėčiau?

Greičiausi protonai, esantys ties riba, juda 299 792 457, 999999999999918 metrų per sekundę greičiu. Jei paleidžiate tokį protoną ir fotoną anksčiau