Tanyakan Ethan No. 14: Partikel Energi Tertinggi Semesta
Hasil pengamatan saya paling baik dijelaskan oleh asumsi bahwa radiasi energi penetrasi yang sangat besar memasuki atmosfer kita dari atas.
- Victor Hess
Anda mungkin berpikir bahwa akselerator partikel paling kuat - SLAC, Fermilab, LHC - adalah sumber energi tertinggi yang bisa kita lihat. Tetapi semua yang kita coba lakukan di bumi tidak masuk dalam perbandingan dengan proses alami alam semesta.Pembaca bertanya:Sejak saya mulai membaca komik tentang Fantastic Four ketika saya masih kecil, saya ingin belajar lebih banyak tentang sinar kosmik. Bisakah Anda membantu saya dengan ini?
Mari kita lihat.
Bahkan sebelum Yuri Gagarin dapat melepaskan diri dari permukaan planet kita, diketahui secara luas bahwa di sana, di luar perlindungan atmosfer, ruang dipenuhi dengan radiasi energi tinggi. Bagaimana kami mengetahui hal ini?Kecurigaan pertama muncul selama percobaan paling sederhana dengan elektroskop.
Jika Anda memberi muatan listrik ke perangkat semacam itu di mana dua dedaunan logam saling terhubung - keduanya akan menerima muatan yang sama dan akan menolak. Orang akan berharap bahwa dari waktu ke waktu muatan akan hilang di udara sekitarnya - karena itu, mungkin terlintas dalam pikiran Anda untuk mengisolasi perangkat, misalnya, dengan membuat ruang hampa udara di sekitarnya.Tetapi dalam kasus ini, elektroskop dilepaskan. Bahkan jika Anda mengisolasinya dengan timah, itu masih akan keluar. Seperti yang ditemukan oleh para peneliti pada awal abad ke-20, semakin tinggi Anda menaikkan teleskop, semakin cepat akan dikeluarkan. Beberapa ilmuwan telah berhipotesis bahwa pelepasan ini disebabkan oleh radiasi energi tinggi. Ini memiliki energi tembus tinggi dan asal di luar Bumi.
Sudah menjadi kebiasaan dalam sains untuk menguji hipotesis. Pada 1912, Victor Hessmelakukan percobaan dengan balon di mana ia mencoba menemukan partikel kosmik berenergi tinggi ini. Dan dia menemukan mereka dalam kelimpahan, menjadi bapak sinar kosmik .Detektor awal ternyata sangat sederhana. Anda mengatur emulsi khusus yang "merasakan" lintasan partikel bermuatan melaluinya, dan meletakkan semuanya dalam medan magnet. Ketika partikel melewatinya, Anda dapat mempelajari dua hal penting:- rasio biaya terhadap massa
- dan kecepatannya
yang tergantung pada bagaimana jalur partikel tertekuk. Ini dapat dihitung jika Anda mengetahui kekuatan medan magnet yang diterapkan.
Pada 1930-an, beberapa percobaan, baik dengan akselerator berbasis darat awal dan dengan detektor sinar kosmik, menghasilkan banyak informasi yang sangat menarik. Sebagai contoh, sebagian besar partikel radiasi kosmik (90%) memiliki tingkat energi yang berbeda - dari beberapa volt mega-listrik, hingga energi tinggi yang dapat Anda ukur! Sebagian besar yang tersisa adalah partikel alfa, atau inti helium dengan dua proton dan neutron, dengan tingkat energi yang sama.
Ketika sinar kosmik ini bertemu bagian atas atmosfer bumi, mereka berinteraksi dengannya dan menghasilkan reaksi mengalir yang menghasilkan hujan partikel berenergi tinggi, termasuk dua yang baru: positron, keberadaan yang dihipotesiskan pada tahun 1930 oleh Dirac. Ini adalah kembaran elektron dari dunia antimateri, dengan massa yang sama, tetapi dengan muatan positif, dan muon adalah partikel tidak stabil dengan muatan yang sama dengan elektron, tetapi 206 kali lebih berat. Positron ditemukan oleh Karl Andersen pada tahun 1932, dan muon olehnya dan muridnya Seth Neddermeier pada tahun 1936, tetapi positron pertama ditemukan oleh Paul Kunze beberapa tahun sebelumnya, yang karena alasan sejarah lupa .Hal yang menakjubkan: jika Anda mengulurkan tangan sejajar dengan bumi, maka setiap detik sekitar 1 muon akan melewatinya.
Setiap muon yang melewati tanganmu dilahirkan dalam hujan sinar kosmik dan masing-masing menegaskan teori relativitas khusus! Anda lihat, muon ini dibuat pada ketinggian sekitar 100 km, tetapi waktu hidup rata-rata muon adalah sekitar 2,2 mikrodetik. Bahkan jika mereka bergerak dengan kecepatan cahaya, mereka akan bisa berjalan tidak lebih dari 660 meter sebelum meluruh. Tetapi karena distorsi waktu, karena fakta bahwa waktu sebuah partikel bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya melambat dari sudut pandang pengamat stasioner, muon yang bergerak cepat ini bisa sampai ke permukaan bumi sebelum peluruhannya.Jika kita diangkut ke hari ini, itu akan menjadi kenyataan bahwa kita secara akurat mengukur kuantitas dan spektrum energi dari partikel-partikel kosmik ini.
Partikel energi dari urutan 100 GeV paling sering ditemukan, dan sekitar 1 partikel tersebut melewati meter persegi permukaan Bumi setiap detik. Dan, meskipun ada partikel energi yang lebih besar, mereka ditemukan jauh lebih jarang - semakin jarang, semakin banyak energi yang kita ambil. Misalnya, jika kita mengambil energi 10 16 eV, maka partikel seperti itu akan melewati meter persegi hanya setahun sekali. Dan partikel berenergi tertinggi dengan energi 5 × 10 10 GeV (atau 5 × 10 19 eV) akan melewati detektor setahun sekali dengan sisi 10 km.
Gagasan seperti itu terlihat agak aneh - namun, ada alasan untuk penerapannya: harus ada batasan energi sinar kosmik dan pembatasan kecepatan proton di Semesta.! Mungkin tidak ada batasan pada energi yang dapat kita berikan kepada proton: partikel bermuatan dapat dipercepat menggunakan medan magnet, dan lubang hitam terbesar dan paling aktif di Semesta dapat mempercepat proton ke energi yang jauh lebih tinggi daripada yang kita amati.Tetapi mereka harus berkeliling Alam Semesta untuk mencapai kita, dan Alam Semesta dipenuhi dengan banyak radiasi dingin, energi rendah - radiasi kosmik latar belakang.
Partikel berenergi tinggi hanya dibuat di daerah di mana lubang hitam paling besar dan aktif di Semesta berada, dan semuanya sangat jauh dari galaksi kita. Dan jika partikel dengan energi melebihi 5 × 10 10GeV, dapat melewati tidak lebih dari beberapa juta tahun cahaya sampai salah satu foton yang tersisa dari Big Bang berinteraksi dengannya, menerima peony. Energi berlebih akan dipancarkan, dan energi yang tersisa akan jatuh ke batas energi kosmik, yang dikenal sebagai Batas Graisen - Zatsepin - Kuzmin.
Karena itu, kami melakukan satu-satunya hal yang tampaknya masuk akal bagi fisikawan: kami membangun detektor besar yang tidak realistis, dan mulai mencari partikel!
Nama observatorium dinamai Pierre Auger tidak hanya itu: menegaskan bahwa ada sinar kosmik yang mencapai, tetapi tidak mengatasi, keterbatasan energi ini, 10 juta kali energi yang diperoleh di LHC! Ini berarti proton tercepat yang baru saja kita temui bergerak hampir dengan kecepatan cahaya (tepatnya 299.792.458 m / s), tetapi sedikit lebih lambat. Tapi seberapa lambat?Proton tercepat, terletak tepat di batas batas, bergerak dengan kecepatan 299 792 457,999999999999918 meter per detik. Jika Anda meluncurkan proton dan foton ke galaksi Andromedadan sebaliknya, foton akan tiba kembali hanya 6 detik lebih awal dari proton - dan ini adalah setelah perjalanan yang akan memakan waktu 5 juta tahun! Tetapi sinar kosmik berenergi tinggi ini tidak datang kepada kita dari Andromeda: mereka berasal dari lubang hitam supermasif, seperti NGC 1275 , yang terletak pada jarak ratusan juta atau bahkan miliaran tahun cahaya dari kita.
Berkat NASA dan program Interstellar Boundary Explorer (IBEX) , kita tahu bahwa ada sekitar 10 kali lebih banyak sinar kosmik di ruang angkasa daripada yang dapat kita deteksi di Bumi, dan bahwa heliosfer surya melindungi kita dari sebagian besar dari mereka.
Itulah keseluruhan kisah fantastis sinar kosmik, termasuk sifat favorit saya - partikel berenergi tinggi dan keterbatasan energi sinar kosmik.Source: https://habr.com/ru/post/id381751/
All Articles