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询问伊桑十四号：宇宙中最高的能量粒子

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我的观察结果最好通过以下假设来最好地解释：巨大的穿透能量的辐射从上方进入我们的大气。
-维克多·赫斯

您可能会认为，最强大的粒子加速器-SLAC，Fermilab，LHC-是我们可以看到的最高能量的来源。但是我们在地球上试图做的一切都没有与宇宙的自然过程进行任何比较。

读者问：
自从我小时候开始阅读有关“神奇四侠”的漫画以来，我想了解有关宇宙射线的更多信息。你能帮我吗？

让我们来看看。

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甚至在尤里·加加林（Yuri Gagarin）脱离地球表面之前，众所周知，除了保护大气层之外，太空还充满了高能辐射。我们如何得知的？

最初的怀疑是在用电镜进行的最简单的实验中产生的。

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如果您给两个金属叶片相互连接的设备充电，它们将获得相同的电荷并会排斥。人们会期望，随着时间的流逝，电荷会在周围的空气中消失-因此，您可能会想到隔离设备，例如通过在设备周围形成真空来隔离它。

但是在这种情况下，验电器放电。即使用铅隔离，它仍会放电。正如实验人员在20世纪初发现的那样，将电镜升起的越高，放电速度就越快。一些科学家假设放电是由于高能辐射引起的。它具有高穿透力，起源于地球以外。

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测试假设是科学惯例。 1912年，Victor Hess进行了一个气球实验，他试图在其中找到这些高能宇宙粒子。他发现了它们，成为宇宙射线之父。

早期的检测器非常简单。您设置了一种特殊的乳剂，可以“感应”带电粒子通过该乳剂的通道，并将其全部置于磁场中。当粒子通过它时，您可以学到两个重要的知识：
  • 质荷比
  • 和她的速度

这取决于粒子路径如何弯曲。如果您知道所施加磁场的强度，则可以计算得出。

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在1930年代，利用早期的地面加速器和宇宙射线探测器进行的几次实验产生了许多非常有趣的信息。例如，大多数宇宙辐射粒子（90％）具有不同的能级-从几兆伏特到可以测量的如此高的能量！其余大部分是具有相同能级的α粒子或具有两个质子和中子的氦核。

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当这些宇宙射线遇到地球大气层的上部时，它们会与之相互作用并产生级联反应，从而产生高能粒子雨，其中包括两个新的：正电子，狄拉克在1930年假设存在。它是来自反物质世界的电子的孪生子，质量相同，但带正电荷，μ子是一个不稳定的粒子，其电荷与电子相同，但重206倍。正电子是卡尔·安德森（Karl Andersen）在1932年发现的，μ子是他和他的学生塞思·内德迈尔（Seth Neddermeier）于1936年发现的，但第一个正电子是保罗·昆泽（Paul Kunze）几年前发现的，由于某种原因，它被历史遗忘了。

令人惊奇的事情是：如果您将手平行于地球延伸，那么每秒大约有1微米会通过它。

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穿过您的手的每个介子都出生在宇宙射线的雨中，它们都证实了相对论的特殊原理！您会看到，这些介子是在约100 km的高度上创建的，但是介子的平均寿命约为2.2微秒。即使它们以光速移动，它们在衰变之前也可以走不超过660米。但是由于时间的扭曲，由于从静止的观察者的角度来看，粒子以接近光速的速度移动的时间变慢的事实，这些快速移动的介子可以在衰减之前一直到达地球表面。

如果我们被运送到今天，事实证明我们可以准确地测量这些宇宙粒子的数量和能谱。

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最常见的是100 GeV量级的能量粒子，每秒约有1个这样的粒子穿过地球表面的一平方米。而且，尽管存在能量更大的粒子，但发现它们的频率却要低得多-频率越低，我们消耗的能量就越多。例如，如果我们采用10 16 eV的能量，则此类粒子每年仅通过一次平方米。能量为5×10 10 GeV（或5×10 19 eV）的最高能量粒子每年将以10 km的侧面通过检测器。

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这样的想法看起来很奇怪-但是，有一个实现的理由：必须限制宇宙射线的能量，并限制宇宙中质子的速度！对质子的能量可能没有任何限制：带电粒子可以使用磁场来加速，宇宙中最大，最活跃的黑洞可以使质子加速到比我们观察到的能量高得多的能量。

但是它们必须绕着宇宙旅行才能到达我们，并且宇宙充满了许多冷的，低能量的辐射-背景宇宙辐射。

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高能粒子仅在宇宙中最活跃的黑洞所在的区域产生，并且所有这些黑洞都离我们的银河系很远。如果粒子的能量超过5×10 10GeV，它可以经过不超过几百万光年，直到大爆炸留下的一个光子与它相互作用，并得到牡丹。过多的能量将被辐射，而剩余的能量将落入宇宙能量的极限，即格赖森-扎瑟平-库兹明极限。

因此，我们做了物理学家看来唯一合理的事情：我们建立了一个不切实际的巨大探测器，并开始寻找粒子！

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天文台得名皮埃尔·奥格（Pierre Auger）就是这样做的：确认存在但没有克服这一能量限制的宇宙射线，这是LHC所达到能量的一千万倍！这意味着我们刚刚遇到的最快的质子正在以几乎光速移动（正好是299,792,458 m / s），但速度稍慢。但是慢了多少？

最快的质子位于极限的边界处，其移动速度为每秒299 792 457.999999999999918米。如果您发射这样的质子和光子到仙女座星系反之亦然，光子将比质子提前6秒返回-这是经过500万年的历程！但是这些高能宇宙射线不是来自仙女座星系，而是来自超大质量黑洞，例如NGC 1275，它们距我们数亿甚至数十亿光年的距离。

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多亏了NASA和星际边界探索器（IBEX）计划，我们知道深空的宇宙射线比我们在地球上能探测到的多约10倍，而且太阳日光层保护了我们免受大多数太阳射线的伤害。

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这就是宇宙射线的整个奇幻故事，包括我最喜欢的特性-高能粒子和对宇宙射线能量的限制。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN381751/

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