Demandez à Ethan n ° 14: les particules les plus énergétiques de l'univers

Les résultats de mes observations sont mieux expliqués par l'hypothèse que le rayonnement d'une énergie pénétrante énorme pénètre dans notre atmosphère par le haut.
- Victor Hess

Vous pouvez penser que les accélérateurs de particules les plus puissants - SLAC, Fermilab, LHC - sont les sources des plus hautes énergies que nous pouvons voir. Mais tout ce que nous essayons de faire sur terre n'entre en aucune comparaison avec les processus naturels de l'univers.

Le lecteur demande:

Depuis que j'ai commencé à lire des bandes dessinées sur les Quatre Fantastiques quand j'étais enfant, je voulais en savoir plus sur les rayons cosmiques. Peux-tu m'aider avec ceci?

Jetons un coup d'oeil.



Avant même que Yuri Gagarin ne puisse se détacher de la surface de notre planète, il était bien connu que là-bas, au-delà de la protection de l'atmosphère, l'espace est rempli de rayonnements de haute énergie. Comment avons-nous découvert cela?

Les premiers soupçons sont apparus lors des expériences les plus simples avec un électroscope.



Si vous donnez une charge électrique à un tel appareil dans lequel deux feuilles métalliques sont connectées l'une à l'autre - elles recevront la même charge et se repousseront. On pourrait s'attendre à ce qu'avec le temps, la charge disparaisse dans l'air ambiant - par conséquent, il pourrait vous venir à l'esprit d'isoler l'appareil, par exemple, en créant un vide autour de lui.

Mais dans ce cas, l'électroscope est déchargé. Même si vous l'isolez avec du plomb, il se déchargera quand même. Comme les expérimentateurs l'ont découvert au début du 20e siècle, plus vous élevez l'électroscope, plus vite il se déchargera. Plusieurs scientifiques ont émis l'hypothèse que la décharge est due à un rayonnement de haute énergie. Il a une énergie de pénétration élevée et une origine en dehors de la Terre.



Il est courant en science de tester des hypothèses. En 1912, Victor Hessa mené une expérience avec un ballon dans lequel il a essayé de trouver ces particules cosmiques de haute énergie. Et il les a trouvés en abondance, devenant le père des rayons cosmiques .

Les premiers détecteurs étaient étonnamment simples. Vous mettez en place une émulsion spéciale qui «détecte» le passage des particules chargées à travers elle, et mettez le tout dans un champ magnétique. Lorsque des particules le traversent, vous pouvez apprendre deux choses importantes:

• rapport charge / masse
• et sa vitesse

qui dépendent de la façon dont le trajet des particules se plie. Cela peut être calculé si vous connaissez la force du champ magnétique appliqué.



Dans les années 1930, plusieurs expériences, à la fois avec les premiers accélérateurs au sol et avec les détecteurs de rayons cosmiques, ont produit beaucoup d'informations très intéressantes. Par exemple, la plupart des particules de rayonnement cosmique (90%) avaient des niveaux d'énergie différents - de quelques méga volts électriques à des énergies si élevées que vous pouviez les mesurer! La plupart des autres étaient des particules alpha, ou des noyaux d'hélium avec deux protons et neutrons, avec les mêmes niveaux d'énergie.



Lorsque ces rayons cosmiques rencontrent la partie supérieure de l'atmosphère terrestre, ils interagissent avec elle et génèrent des réactions en cascade qui créent une pluie de particules de haute énergie, dont deux nouvelles: le positron, dont l'existence a été supposée en 1930 par Dirac. Il s'agit d'un jumeau d'un électron du monde de l'antimatière, de la même masse, mais avec une charge positive, et le muon est une particule instable avec la même charge qu'un électron, mais 206 fois plus lourde. Le positron a été découvert par Karl Andersen en 1932, et le muon par lui et son élève Seth Neddermeier en 1936, mais le premier positron a été découvert par Paul Kunze quelques années plus tôt, ce que l'histoire a oublié pour une raison quelconque .

La chose étonnante: si vous tendez votre main parallèlement à la terre, alors chaque seconde environ 1 muon passera à travers.



Chaque muon passant dans votre main naît sous la pluie de rayons cosmiques et chacun d'eux confirme la théorie spéciale de la relativité! Vous voyez, ces muons sont créés à une altitude d'environ 100 km, mais la durée de vie moyenne d'un muon est d'environ 2,2 microsecondes. Même s'ils se déplaçaient à la vitesse de la lumière, ils ne pourraient pas marcher plus de 660 mètres avant de se décomposer. Mais en raison de la distorsion du temps, du fait que le temps d'une particule se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière ralentit du point de vue d'un observateur immobile, ces muons se déplaçant rapidement peuvent aller jusqu'à la surface de la terre avant leur décomposition.

Si nous sommes transportés jusqu'à aujourd'hui, il se trouvera que nous avons mesuré avec précision à la fois la quantité et le spectre d'énergie de ces particules cosmiques.



Les particules d'énergie de l'ordre de 100 GeV sont le plus souvent trouvées, et environ 1 de ces particules traverse chaque seconde un mètre carré de la surface de la Terre. Et, bien qu'il y ait des particules de plus grande énergie, elles sont trouvées beaucoup moins fréquemment - moins souvent, plus nous prenons d'énergie. Par exemple, si nous prenons une énergie de 10 ¹⁶ eV, ces particules ne passeront par un mètre carré qu'une fois par an. Et les particules de plus haute énergie avec une énergie de 5 × 10 ¹⁰ GeV (ou 5 × 10 ¹⁹ eV) traverseront le détecteur une fois par an avec un côté de 10 km.



Une telle idée semble plutôt étrange - et pourtant, il y a une raison à sa mise en œuvre: il doit y avoir une limitation de l'énergie des rayons cosmiques et une limitation de la vitesse des protons dans l'Univers! , , : , , , , .

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, . 5 × 10¹⁰GeV, il ne peut pas dépasser quelques millions d'années-lumière jusqu'à ce qu'un des photons du Big Bang interagisse avec lui, recevant une pivoine. Une énergie excessive sera rayonnée et l'énergie restante tombera dans la limitation de l'énergie cosmique, connue sous le nom de limite Graisen - Zatsepin - Kuzmin.

Par conséquent, nous avons fait la seule chose qui semble raisonnable aux physiciens: nous avons construit un énorme détecteur irréaliste et nous avons commencé à chercher des particules!



Observatoire nommé d'après Pierre Auger ne fait que cela: confirme qu'il existe des rayons cosmiques qui atteignent, mais ne surmontent pas, cette limitation d'énergie, 10 millions de fois l'énergie obtenue sur le LHC! Cela signifie que les protons les plus rapides que nous venons de rencontrer se déplacent à presque la vitesse de la lumière (qui est exactement 299 792 458 m / s), mais un peu plus lentement. Mais combien plus lent?

Les protons les plus rapides, situés juste à la limite de la limite, se déplacent à une vitesse de 299 792 457,999999999999918 mètres par seconde. Si vous lancez un tel proton et photon dans la galaxie d'Andromèdeet vice versa, le photon n'arrivera que 6 secondes plus tôt que le proton - et c'est après un voyage qui prendra 5 millions d'années! Mais ces rayons cosmiques de haute énergie ne nous viennent pas d'Andromède: ils proviennent de trous noirs supermassifs, tels que NGC 1275 , qui sont situés à des distances de centaines de millions voire de milliards d'années-lumière de nous.



Grâce à la NASA et au programme Interstellar Boundary Explorer (IBEX) , nous savons qu'il y a environ 10 fois plus de rayons cosmiques dans l'espace profond que nous ne pouvons en détecter sur Terre, et que l'héliosphère solaire nous protège de la plupart d'entre eux.



C'est toute l'histoire fantastique des rayons cosmiques, y compris mes propriétés préférées - les particules de haute énergie et la limitation de l'énergie des rayons cosmiques.