🕷️ ⤴️ 🛴 اسأل إيثان رقم 14: جزيئات الطاقة الأعلى في الكون 🗼 🍾 ⛔️

من الأفضل تفسير نتائج ملاحظاتي بافتراض أن إشعاع طاقة اختراق هائلة يدخل الغلاف الجوي من فوق.
- فيكتور هيس

قد تعتقد أن أقوى مسرعات الجسيمات - SLAC ، Fermilab ، LHC - هي مصادر أعلى الطاقات التي يمكننا رؤيتها. لكن كل ما نحاول القيام به على الأرض لا يدخل في أي مقارنة مع العمليات الطبيعية للكون.

يسأل القارئ:

منذ أن بدأت في قراءة القصص المصورة عن Fantastic Four كطفل ، أردت معرفة المزيد عن الأشعة الكونية. هل يمكنك مساعدتي في هذا؟

دعنا نلقي نظرة.

حتى قبل أن ينفصل يوري غاغارين عن سطح كوكبنا ، كان من المعروف على نطاق واسع أنه هناك ، خارج حماية الغلاف الجوي ، مليء بالإشعاع عالي الطاقة. كيف اكتشفنا ذلك؟

نشأت الشكوك الأولى خلال أبسط التجارب مع المكشاف الكهربائي.

إذا أعطيت شحنة كهربائية لمثل هذا الجهاز حيث يتم توصيل ورقتين معدنيتين مع بعضهما البعض - فسيحصلان على نفس الشحنة وسيتم صدهما. قد يتوقع المرء أنه بمرور الوقت ستختفي الشحنة في الهواء المحيط - وبالتالي ، قد يتبادر إلى ذهنك عزل الجهاز ، على سبيل المثال ، عن طريق خلق فراغ حوله.

ولكن في هذه الحالة ، يتم تفريغ المكشاف الكهربائي. حتى لو قمت بعزله بالرصاص ، فسيستمر في التصريف. كما اكتشف المجربون في بداية القرن العشرين ، كلما رفعت المنظار الكهربائي ، زادت سرعة تفريغه. افترض العديد من العلماء أن التفريغ ناجم عن الإشعاع عالي الطاقة. لديها طاقة اختراق عالية وأصل خارج الأرض.

من المعتاد في العلوم اختبار الفرضيات. في عام 1912 ، فيكتور هيسأجرى تجربة مع بالون حاول فيه العثور على هذه الجسيمات الكونية عالية الطاقة. ووجدها بوفرة ، وأصبح والد الأشعة الكونية .

كانت الكواشف المبكرة بسيطة بشكل مدهش. تقوم بإعداد مستحلب خاص "يستشعر" مرور الجسيمات المشحونة عبرها ، ويضعها كلها في مجال مغناطيسي. عندما تمر الجسيمات من خلالها ، يمكنك معرفة شيئين مهمين:

نسبة الشحن إلى الكتلة
وسرعتها

التي تعتمد على كيفية انحناء مسار الجسيمات. يمكن حساب ذلك إذا كنت تعرف قوة المجال المغناطيسي المطبق.

في ثلاثينيات القرن الماضي ، أنتجت العديد من التجارب ، مع كل من المسرعات الأرضية المبكرة ومع كاشفات الأشعة الكونية ، الكثير من المعلومات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، كان لمعظم جزيئات الإشعاع الكوني (90 ٪) مستويات طاقة مختلفة - من بضعة فولتات كهربائية ضخمة ، إلى طاقات عالية يمكنك قياسها! معظم البقية كانت جسيمات ألفا ، أو نويات الهيليوم مع بروتونين ونيوترون ، بنفس مستويات الطاقة.

عندما تلتقي هذه الأشعة الكونية مع الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتفاعل معها وتولد تفاعلات متتالية تولد أمطارًا من الجسيمات عالية الطاقة ، بما في ذلك اثنان جديدان: البوزيترون ، الذي افترض وجوده في عام 1930 من قبل ديراك. هذا هو توأم إلكترون من عالم المادة المضادة ، من نفس الكتلة ، ولكن مع شحنة موجبة ، والميون هو جسيم غير مستقر مع نفس الشحنة للإلكترون ، ولكن أثقل بـ 206 مرات. تم اكتشاف البوزيترون من قبل كارل أندرسن في عام 1932 ، والميون الذي قام به هو وطالبه سيث نديرميير في عام 1936 ، ولكن بول كونزي اكتشف أول بوزيترون قبل بضع سنوات ، والذي لسبب ما نسي التاريخ .

الشيء المدهش: إذا مدت يدك بالتوازي مع الأرض ، فستمر عبرها كل ثانية تقريبًا ميون.

كل ميون يمر من خلال يدك يولد تحت المطر من الأشعة الكونية وكل واحد منهم يؤكد نظرية النسبية الخاصة! ترى ، يتم إنشاء هذه الميونات على ارتفاع حوالي 100 كم ، ولكن متوسط عمر الميون هو حوالي 2.2 ميكروثانية. حتى لو تحركوا بسرعة الضوء ، فلن يتمكنوا من المشي أكثر من 660 مترًا قبل الاضمحلال. ولكن بسبب تشويه الوقت ، نظرًا لحقيقة أن وقت الجسيم يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء يتباطأ من وجهة نظر مراقب بلا حراك ، يمكن لهذه الميونات سريعة الحركة أن تصل إلى سطح الأرض قبل انحلالها.

إذا تم نقلنا إلى اليوم ، فسيتبين أننا قمنا بقياس كل من كمية وطاقة الطيف لهذه الجسيمات الكونية.

غالبًا ما يتم العثور على جزيئات الطاقة من 100 GeV ، ويمر حوالي 1 هذا الجسيم عبر متر مربع من سطح الأرض كل ثانية. وعلى الرغم من وجود جسيمات ذات طاقة أكبر ، إلا أنها توجد بشكل أقل تكرارًا - كلما قل ذلك ، زادت الطاقة التي نأخذها. على سبيل المثال ، إذا أخذنا طاقة 10 ¹⁶ eV ، فستمر هذه الجسيمات عبر متر مربع مرة واحدة فقط في السنة. وستعبر الجسيمات ذات الطاقة الأعلى بطاقة 5 × 10 ¹⁰ ج.ف (أو 5 × 10 ¹⁹ إلكترون فولت) عبر الكاشف مرة في السنة مع جانب 10 كم.

هذه الفكرة تبدو غريبة إلى حد ما - ولكن، هناك سبب لتنفيذه: يجب أن يكون هناك قيود على الطاقة من الأشعة الكونية و الحد من سرعة البروتونات في الكون! قد لا تكون هناك أي قيود على الطاقة التي يمكن أن نعطيها للبروتون: يمكن تسريع الجسيمات المشحونة باستخدام المجالات المغناطيسية ، ويمكن أن تسرع الثقوب السوداء الأكبر والأكثر نشاطًا في الكون البروتونات إلى طاقات أعلى بكثير مما لاحظناه.

لكن يجب عليهم السفر حول الكون للوصول إلينا ، والكون مليء بالكثير من الإشعاع البارد منخفض الطاقة - الخلفية الكونية.

يتم إنشاء الجسيمات عالية الطاقة فقط في المناطق التي توجد فيها الثقوب السوداء الأكثر ضخامة ونشاطًا في الكون ، وكلها بعيدة جدًا عن مجرتنا. وإذا كان الجسيم بطاقة تتجاوز 5 × 10 ¹⁰GeV ، لا يمكن أن يمر أكثر من بضعة ملايين من السنين الضوئية حتى يتفاعل معها أحد الفوتونات المتبقية من الانفجار الكبير ، ويتلقى الفاوانيا. سيتم إشعاع الطاقة الزائدة ، وستنخفض
الطاقة المتبقية إلى حدود الطاقة الكونية ، المعروفة باسم حد Graisen - Zatsepin - Kuzmin.
لذلك ، فعلنا الشيء الوحيد الذي يبدو معقولًا للفيزيائيين: لقد بنينا كاشفًا ضخمًا غير واقعي ، وبدأنا في البحث عن الجسيمات!

المرصد اسمه بعد يفعل بيير أوجيه ذلك بالضبط: يؤكد أن هناك أشعة كونية تحقق ، ولكن لا تتغلب ، على هذا الحد من الطاقة ، 10 ملايين مرة من الطاقة المحققة على المصادم LHC! هذا يعني أن أسرع البروتونات التي قابلناها للتو تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا (والتي تبلغ 299792458 م / ث) ، ولكن أبطأ قليلاً. ولكن كم أبطأ؟

أسرع البروتونات ، التي تقع عند حدود الحد ، تتحرك بسرعة 299 792 457.999999999999918 مترًا في الثانية. إذا أطلقت مثل هذا البروتون والفوتون إلى مجرة أندروميداوالعكس بالعكس ، الفوتون سيعود قبل 6 ثوانٍ فقط من البروتون - وهذا بعد رحلة تستغرق 5 ملايين سنة! لكن هذه الأشعة الكونية عالية الطاقة لا تأتي إلينا من أندروميدا: إنها تأتي من ثقوب سوداء فائقة الكتلة ، مثل NGC 1275 ، والتي تقع على مسافة مئات الملايين أو حتى مليارات السنين الضوئية منا.

بفضل NASA وبرنامج Interstellar Boundary Explorer (IBEX) ، نعلم أن هناك حوالي 10 أضعاف الأشعة الكونية في الفضاء السحيق أكثر مما يمكننا اكتشافه على الأرض ، وأن الغلاف الشمسي الشمسي يحمينا من معظمها.

هذه هي القصة الرائعة الكاملة للأشعة الكونية ، بما في ذلك خصائصي المفضلة - الجسيمات عالية الطاقة والقيود على طاقة الأشعة الكونية.

اسأل إيثان رقم 14: جزيئات الطاقة الأعلى في الكون

More articles: