Pergunte a Ethan No. 14: As Partículas de Energia Mais Alta do Universo
Os resultados de minhas observações são melhor explicados pela suposição de que a radiação de enorme energia penetrante entra em nossa atmosfera de cima.
- Victor Hess
Você pode pensar que os aceleradores de partículas mais poderosos - SLAC, Fermilab, LHC - são as fontes das energias mais altas que podemos ver. Mas tudo o que estamos tentando fazer na Terra não entra em comparação com os processos naturais do universo.O leitor pergunta:Desde que comecei a ler quadrinhos sobre o Quarteto Fantástico quando criança, eu queria aprender mais sobre os raios cósmicos. Você pode me ajudar com isto?
Vamos dar uma olhada.
Mesmo antes de Yuri Gagarin poder se afastar da superfície do nosso planeta, era sabido que lá, além da proteção da atmosfera, o espaço é preenchido com radiação de alta energia. Como descobrimos isso?As primeiras suspeitas surgiram durante os experimentos mais simples com um eletroscópio.
Se você der uma carga elétrica a um dispositivo no qual duas folhas de metal estejam conectadas uma à outra - elas receberão a mesma carga e serão repelidas. Seria de esperar que, com o tempo, a carga desaparecesse no ar circundante - portanto, pode ocorrer a sua mente isolar o dispositivo, por exemplo, criando um vácuo em torno dele.Mas, neste caso, o eletroscópio está descarregado. Mesmo se você isolá-lo com chumbo, ele ainda será descarregado. Como os pesquisadores descobriram no início do século 20, quanto mais você eleva o eletroscópio, mais rápido ele descarrega. Vários cientistas levantaram a hipótese de que a descarga é devido à radiação de alta energia. Possui alta energia penetrante e origem fora da Terra.
É costume na ciência testar hipóteses. Em 1912, Victor Hessconduziu um experimento com um balão no qual ele tentou encontrar essas partículas cósmicas de alta energia. E ele os encontrou em abundância, tornando-se o pai dos raios cósmicos .Os primeiros detectores eram surpreendentemente simples. Você configura uma emulsão especial que "detecta" a passagem de partículas carregadas através dela e coloca tudo em um campo magnético. Quando as partículas passam por ele, você pode aprender duas coisas importantes:- taxa de carga / massa
- e a velocidade dela
que dependem de como o caminho da partícula se dobra. Isso pode ser calculado se você souber a força do campo magnético aplicado.
Na década de 1930, várias experiências, tanto com aceleradores terrestres iniciais quanto com detectores de raios cósmicos, produziram muitas informações muito interessantes. Por exemplo, a maioria das partículas de radiação cósmica (90%) tinha níveis de energia diferentes - de alguns volts mega-elétricos a energias tão altas que você podia medir! A maioria dos restantes eram partículas alfa, ou núcleos de hélio com dois prótons e nêutrons, com os mesmos níveis de energia.
Quando esses raios cósmicos encontram a parte superior da atmosfera da Terra, eles interagem com ela e geram reações em cascata que criam chuva de partículas de alta energia, incluindo duas novas: o pósitron, cuja existência foi especulada em Dirac em 1930. Este é um gêmeo de um elétron do mundo da antimatéria, da mesma massa, mas com uma carga positiva, e o múon é uma partícula instável com a mesma carga que um elétron, mas 206 vezes mais pesada. O pósitron foi descoberto por Karl Andersen em 1932, e o múon por ele e seu aluno Seth Neddermeier em 1936, mas o primeiro pósitron foi descoberto por Paul Kunze alguns anos antes, o que por algum motivo a história esqueceu .O incrível: se você estender sua mão paralela à terra, a cada segundo aproximadamente 1 múon passará por ela.
Cada múon que passa pela sua mão nasce na chuva dos raios cósmicos e cada um deles confirma a teoria especial da relatividade! Você vê, esses múons são criados a uma altitude de cerca de 100 km, mas o tempo médio de vida de um múon é de cerca de 2,2 microssegundos. Mesmo se eles se movessem à velocidade da luz, não poderiam andar mais do que 660 metros antes da decadência. Mas, devido à distorção do tempo, devido ao fato de que o tempo de uma partícula se movendo a uma velocidade próxima à velocidade da luz diminui do ponto de vista de um observador imóvel, esses múons em movimento rápido podem percorrer todo o caminho até a superfície da Terra antes de sua decadência.Se formos transportados até hoje, descobriremos que medimos com precisão a quantidade e o espectro de energia dessas partículas cósmicas.
Partículas de energia da ordem de 100 GeV são encontradas com mais frequência, e cerca de 1 dessas partículas passa por um metro quadrado da superfície da Terra a cada segundo. E, embora existam partículas de maior energia, elas são encontradas com muito menos frequência - quanto menos frequentemente, mais energia consumimos. Por exemplo, se consumirmos uma energia de 10 16 eV, essas partículas passarão por um metro quadrado apenas uma vez por ano. E as partículas de energia mais alta com uma energia de 5 × 10 10 GeV (ou 5 × 10 19 eV) passarão pelo detector uma vez por ano com um lado de 10 km.
Tal idéia parece bastante estranha - e, no entanto, há uma razão para sua implementação: deve haver uma limitação da energia dos raios cósmicos e uma limitação da velocidade dos prótons no Universo.! Pode não haver restrições quanto à energia que podemos dar a um próton: partículas carregadas podem ser aceleradas usando campos magnéticos, e os maiores e mais ativos buracos negros do Universo podem acelerar os prótons para energias muito mais altas do que observamos.Mas eles precisam viajar pelo Universo para nos alcançar, e o Universo está cheio de muita radiação fria e de baixa energia - radiação cósmica de fundo.
Partículas de alta energia são criadas apenas em áreas onde estão localizados os buracos negros mais massivos e ativos do Universo, e todos eles estão muito longe da nossa galáxia. E se uma partícula com uma energia superior a 5 × 10 10GeV, ele pode passar não mais do que alguns milhões de anos-luz até que um dos fótons deixados no Big Bang interaja com ele, recebendo uma peônia. A energia excessiva será irradiada e a energia restante cairá na limitação da energia cósmica, conhecida como Limite Graisen - Zatsepin - Kuzmin.
Portanto, fizemos a única coisa que parece razoável para os físicos: construímos um detector irrealisticamente imenso e começamos a procurar partículas!
Observatório em homenagem a Pierre Auger faz exatamente isso: confirma que existem raios cósmicos que alcançam, mas não superam, essa limitação de energia, 10 milhões de vezes a energia alcançada no LHC! Isso significa que os prótons mais rápidos que acabamos de conhecer estão se movendo quase à velocidade da luz (que é exatamente 299.792.458 m / s), mas um pouco mais lenta. Mas quanto mais lento?Os prótons mais rápidos, localizados no limite do limite, movem-se a uma velocidade de 299 792 457.99999999999991818 metros por segundo. Se você lançar tal próton e fóton na galáxia de Andrômedae vice-versa, o fóton voltará apenas 6 segundos antes do próton - e isso é depois de uma jornada que levará 5 milhões de anos! Mas esses raios cósmicos de alta energia não nos chegam de Andrômeda: eles vêm de buracos negros supermassivos, como o NGC 1275 , que estão localizados a distâncias de centenas de milhões ou mesmo bilhões de anos-luz de nós.
Graças à NASA e ao programa Interstellar Boundary Explorer (IBEX) , sabemos que existem cerca de 10 vezes mais raios cósmicos no espaço profundo do que podemos detectar na Terra, e que a heliosfera solar nos protege da maioria deles.
Essa é toda a história fantástica dos raios cósmicos, incluindo minhas propriedades favoritas - partículas de alta energia e a limitação da energia dos raios cósmicos.Source: https://habr.com/ru/post/pt381751/
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