Fragen Sie Ethan Nr. 14: Die höchsten Energieteilchen des Universums
Die Ergebnisse meiner Beobachtungen lassen sich am besten mit der Annahme erklären, dass Strahlung mit enormer eindringender Energie von oben in unsere Atmosphäre gelangt.
- Victor Hess
Sie können denken, dass die stärksten Teilchenbeschleuniger - SLAC, Fermilab, LHC - die Quellen der höchsten Energien sind, die wir sehen können. Aber alles, was wir auf Erden versuchen, geht keinen Vergleich mit den natürlichen Prozessen des Universums ein.Der Leser fragt:Seit ich als Kind angefangen habe, Comics über die Fantastischen Vier zu lesen, wollte ich mehr über kosmische Strahlung erfahren. Kannst du mir dabei helfen?
Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen.
Noch bevor Yuri Gagarin sich von der Oberfläche unseres Planeten lösen konnte, war allgemein bekannt, dass dort der Raum jenseits des Schutzes der Atmosphäre mit energiereicher Strahlung gefüllt ist. Wie haben wir davon erfahren?Der erste Verdacht trat bei den einfachsten Experimenten mit einem Elektroskop auf.
Wenn Sie einem solchen Gerät, bei dem zwei Metallblätter miteinander verbunden sind, eine elektrische Ladung geben, erhalten diese dieselbe Ladung und stoßen sich ab. Man würde erwarten, dass die Ladung im Laufe der Zeit in der Umgebungsluft verschwindet - daher könnte es Ihnen in den Sinn kommen, das Gerät zu isolieren, indem Sie beispielsweise ein Vakuum um es herum erzeugen.In diesem Fall wird das Elektroskop jedoch entladen. Selbst wenn Sie es mit Blei isolieren, wird es dennoch entladen. Wie Experimentatoren zu Beginn des 20. Jahrhunderts herausfanden, wird das Elektroskop umso schneller entladen, je höher Sie es anheben. Mehrere Wissenschaftler haben angenommen, dass die Entladung auf energiereiche Strahlung zurückzuführen ist. Es hat eine hohe Durchdringungsenergie und einen Ursprung außerhalb der Erde.
In der Wissenschaft ist es üblich, Hypothesen zu testen. Im Jahr 1912 Victor Hessführte ein Experiment mit einem Ballon durch, in dem er versuchte, diese hochenergetischen kosmischen Teilchen zu finden. Und er fand sie im Überfluss und wurde der Vater der kosmischen Strahlung .Frühe Detektoren waren überraschend einfach. Sie haben eine spezielle Emulsion eingerichtet, die den Durchgang geladener Teilchen durch sie „erfasst“ und alles in ein Magnetfeld versetzt. Wenn Partikel hindurchtreten, können Sie zwei wichtige Dinge lernen:- Verhältnis Ladung zu Masse
- und ihre Geschwindigkeit
die davon abhängen, wie sich der Partikelweg biegt. Dies kann berechnet werden, wenn Sie die Stärke des angelegten Magnetfelds kennen.
In den 1930er Jahren lieferten mehrere Experimente, sowohl mit frühen bodengestützten Beschleunigern als auch mit Detektoren für kosmische Strahlung, viele sehr interessante Informationen. Zum Beispiel hatten die meisten Teilchen der kosmischen Strahlung (90%) unterschiedliche Energieniveaus - von einigen mega-elektrischen Volt bis zu so hohen Energien, die man messen konnte! Die meisten der verbleibenden waren Alpha-Teilchen oder Heliumkerne mit zwei Protonen und Neutronen mit den gleichen Energieniveaus.
Wenn diese kosmischen Strahlen auf den oberen Teil der Erdatmosphäre treffen, interagieren sie mit ihm und erzeugen kaskadierende Reaktionen, die Regen von energiereichen Teilchen erzeugen, darunter zwei neue: das Positron, dessen Existenz 1930 von Dirac angenommen wurde. Dies ist ein Zwilling eines Elektrons aus der Welt der Antimaterie mit der gleichen Masse, aber mit einer positiven Ladung, und das Myon ist ein instabiles Teilchen mit der gleichen Ladung wie ein Elektron, aber 206-mal schwerer. Das Positron wurde 1932 von Karl Andersen und 1936 von ihm und seinem Schüler Seth Neddermeier entdeckt, aber das erste Positron wurde einige Jahre zuvor von Paul Kunze entdeckt, was aus irgendeinem Grund die Geschichte vergaß .Das Erstaunliche: Wenn Sie Ihre Hand parallel zur Erde ausstrecken, wird jede Sekunde ungefähr 1 Myon durch sie hindurchgehen.
Jedes Myon, das durch deine Hand geht, wird im Regen der kosmischen Strahlung geboren und jedes von ihnen bestätigt die spezielle Relativitätstheorie! Sie sehen, diese Myonen werden in einer Höhe von ungefähr 100 km erzeugt, aber die durchschnittliche Lebensdauer eines Myons beträgt ungefähr 2,2 Mikrosekunden. Selbst wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würden, könnten sie vor dem Verfall nicht mehr als 660 Meter laufen. Aufgrund der Zeitverzerrung und der Tatsache, dass sich die Zeit eines Teilchens, das sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, aus Sicht eines bewegungslosen Beobachters verlangsamt, können diese sich schnell bewegenden Myonen vor ihrem Zerfall bis zur Erdoberfläche gelangen.Wenn wir bis heute transportiert werden, wird sich herausstellen, dass wir sowohl die Menge als auch das Energiespektrum dieser kosmischen Teilchen genau gemessen haben.
Am häufigsten werden Energieteilchen in der Größenordnung von 100 GeV gefunden, und etwa 1 solcher Teilchen passiert jede Sekunde einen Quadratmeter der Erdoberfläche. Und obwohl es Teilchen mit größerer Energie gibt, werden sie viel seltener gefunden - je seltener, desto mehr Energie nehmen wir auf. Wenn wir zum Beispiel eine Energie von 10 16 eV nehmen, passieren solche Partikel nur einmal im Jahr einen Quadratmeter. Und die energiereichsten Partikel mit einer Energie von 5 × 10 10 GeV (oder 5 × 10 19 eV) passieren den Detektor einmal im Jahr mit einer Seite von 10 km.
Eine solche Idee sieht ziemlich seltsam aus - und doch gibt es einen Grund für ihre Umsetzung: Es muss eine Begrenzung der Energie der kosmischen Strahlung und eine Begrenzung der Geschwindigkeit der Protonen im Universum geben! Es gibt möglicherweise keine Einschränkungen hinsichtlich der Energie, die wir einem Proton geben können: Geladene Teilchen können mithilfe von Magnetfeldern beschleunigt werden, und die größten und aktivsten Schwarzen Löcher im Universum können Protonen auf Energien beschleunigen, die viel höher sind als wir beobachtet haben.Aber sie müssen um das Universum herum reisen, um uns zu erreichen, und das Universum ist mit viel kalter, energiearmer Strahlung gefüllt - kosmischer Hintergrundstrahlung.
Hochenergetische Teilchen entstehen nur in Gebieten, in denen sich die massereichsten und aktivsten Schwarzen Löcher im Universum befinden, und alle sind sehr weit von unserer Galaxie entfernt. Und wenn ein Teilchen mit einer Energie von mehr als 5 × 10 10GeV, es kann nicht länger als ein paar Millionen Lichtjahre dauern, bis eines der vom Urknall übrig gebliebenen Photonen mit ihm interagiert und eine Pfingstrose erhält. Übermäßige Energie wird abgestrahlt und die verbleibende Energie wird auf die Begrenzung der kosmischen Energie fallen, die als Graisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze bekannt ist.
Deshalb haben wir das einzige getan, was den Physikern vernünftig erscheint: Wir haben einen unrealistisch riesigen Detektor gebaut und begonnen, nach Partikeln zu suchen!
Observatorium benannt nach Pierre Auger tut genau das: bestätigt, dass es kosmische Strahlen gibt, die diese Energieeinschränkung erreichen, aber nicht überwinden, das 10-Millionen-fache der auf dem LHC erreichten Energie! Dies bedeutet, dass sich die schnellsten Protonen, die wir gerade getroffen haben, fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (genau 299.792.458 m / s), aber etwas langsamer. Aber wie viel langsamer?Die schnellsten Protonen, die sich direkt an der Grenze der Grenze befinden, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 299 792 457.999999999999918 Metern pro Sekunde. Wenn Sie ein solches Proton und Photon in die Andromeda-Galaxie bringenund umgekehrt wird das Photon nur 6 Sekunden früher als das Proton zurückkommen - und das nach einer Reise, die 5 Millionen Jahre dauern wird! Aber diese hochenergetischen kosmischen Strahlen kommen nicht von Andromeda zu uns: Sie kommen von supermassiven Schwarzen Löchern wie NGC 1275 , die sich in einer Entfernung von Hunderten von Millionen oder sogar Milliarden von Lichtjahren von uns befinden.
Dank der NASA und des Interstellar Boundary Explorer (IBEX) -Programms wissen wir, dass es im Weltraum etwa zehnmal mehr kosmische Strahlen gibt, als wir auf der Erde erkennen können, und dass die Sonnenheliosphäre uns vor den meisten von ihnen schützt.
Das ist die ganze fantastische Geschichte der kosmischen Strahlung, einschließlich meiner Lieblingseigenschaften - energiereiche Teilchen und die Begrenzung der Energie der kosmischen Strahlung.Source: https://habr.com/ru/post/de381751/
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