Tér esőzések

Tér esőzések

Alexey Levin
"Népszerű mechanika" №9, 2012

A Föld bombázódik a téren … Nem, ez nem idézet egy fantasztikus akciófilmből, hanem egy valóság – bolygónkat folyamatosan "bombázzák" a töltött részecskék patakaiból a mély űrből

Amikor a levegő összetételében gázok atomjai ütköznek, a kozmikus részecskék elindítanak olyan nukleáris reakciók láncokat, amelyek sok másodlagos terméket termelnek. A légkörbe hajózó tízes és több száz TeV energiával rendelkező proton olyan más nagy energiájú részecskéket eredményez, amelyek a környező atomokon szétszóródnak és a következő részecskék generációihoz vezetnek. Ennek eredményeképpen a részecskék kaszkád keletkezése történik a levegő medencében, amelyek közül sokan instabilak és gyorsan romlanak. Tehát sokféle részecske légzuhany van, amit először Dmitry Skobeltsyn megfigyelt az 1920-as évek végén.

Az "eső"

Sugárzók
A NASA szerint a kozmikus sugarak 98% -ban báriumokból állnak (protonok és alfa részecskék – héliummagok). Amikor a légkörben lévő gázatom atomjával ütközik, sok töredéket és töltetlen és semleges részecskéket generálnak, amelyek viszont összeütköznek az atomok atomjával, felbomlanak és "kozmikus felhőszakadásra"

A NASA által 2010-ben közzétett adatok szerint a kozmikus töltésű részecskeáramok 98% -a bolions, és csak 2% stabil leptons (elektronok és pozitronok). A bariónium komponens viszont 87% -ot, az alfa-részecskéket (12%) és a heliumnál nehezebb elemeket tartalmaz, amelyeket a csillagászok fémnek neveznek (1%). Ezek közül az első a szén, a nitrogén és az oxigén, majd a lítium, a berillium és a bór. Ez a hat a kozmikus "fémek" mintegy 90% -át teszi ki, hogy a többiek maradjanak egy kicsit. A maradék részecskék körülbelül négyötödét 9-től 25-ig terjedő atomszámú elemek képviselik, amelyek az oxigén és a vas közötti periódusos táblában találhatók. Majdnem minden maradvány megragadta a vasat, ami szomszédos a nikkel és a kobalt. A kobaltnál nehezebb elemek össztömegét százezerths százalékban mérik. De még mindig előfordulnak – így az arany, a higany, a platina, az ólom és még az urán magjai megtalálhatók az elsődleges kozmikus sugarakban. Másrészről nincs rövid életű radioaktív elem.

Cseppektől a zuhanyzókig

A csapadék területe és a "cseppek" teljes száma élesen nő az elsődleges részecske növekvő energiájával. A proton energiája kb. 1015 Az eV mintegy egymillió másodlagos részecskét termel, 1016 eV – akár tízmillió, 1020 eV – néhány milliárd. Ennek a skála kaszkádfolyamatait – az úgynevezett széles légsugarakat – először 1938-ban megfigyelte a francia Pierre Auger fizikus. Nevét 2005 óta működtetik, egy nagy nemzetközi kozmikus sugárzásmérő műszer, amely Argentína nyugati részén található.

A széles zuhanyozás regisztrálása nem könnyű. Átlagosan egy olyan részecske, amelynek energiája 10 csepp / négyzetkilométer a légkör felső határán.19 eV, míg egy 10-es energiával rendelkező részecske20 Az eV ugyanazon a területen sokkal ritkábban halad át, mint egy évszázad. Ezért az ilyen részecskék által előidézett zuhanyok felderítéséhez gigantikus méretű létesítményeket építenek. Így a Pierre Auger Obszervatórium fő komplexuma 1600 tartályból áll, amelyek ultrapure vízzel és Cherenkov sugárzási érzékelőkkel szétszórva 3000 km2.

Közel a helyhez
2011-ben telepítve az AMS ISS detektorra (Alfa mágneses spektrométer) a kozmikus sugarak 14 hónapos munkájának tanulmányozására, regisztrált 18 milliárd részecskét. Ez több, mint száz év alatt az összes földi detektor által észlelt részecskék száma.

Kétfajta folyamat felelős a zuhanyzás kialakulásáért: hadron és elektromágneses. Az elsődleges proton ütközik az atommaggal, és töredékbe olvad.Ha az energiája nem haladja meg a több száz MeV-ot, akkor ez a vége, de a tízek és száz GeV energiáinak protonjai már komolyabb következményeket okoztak. Az első ütközés után egy ilyen proton továbbra is kevesebb energiával mozog (az eredeti 30% -a). E találkozás során rendszerint feltöltött és semleges peonies születik, de masszívabb részecskék merülhetnek fel. A töltött pion vagy egy másik atom magjával ütközik, és új nukleáris folyamatokhoz vezet, vagy nincs ideje erre, és ugyanabból a jelből és muon neutrínból (egy másik bomlási csatorna, de valószínűsége nagyon kicsi). Egy muon, amelynek hatalmas életidejét az elemi részecskék szabványa szerint néhány mikrosodpercben mérik, majdnem a fénysebességgel mozog, és nagyon gyengén kapcsolódik az atommagokhoz, és csak akkor veszít egy kis energiát, ha átmegy az elektronikus héjakon. Ezért kiváló esélye van arra, hogy elérje a Föld felszínét és még mélyen behatoljon a földbe.

Végül a muonok is bomlanak, szinte mindig egy elektront vagy pozitront (a jelektől függően) és egy pár neutrínót, muont és elektront.Egy semleges pion, amely körülbelül százmilliószor kevesebbet tölt fel, valószínűleg nem ütközik semmihez, és a légkörben egy pár gammasugár-fotonná alakul. Az atomok szétszóródnak és elektron-pozitron párokat hoznak létre, és a pozitronok gyorsan megsemmisülnek, ami új gamma-kvantumot eredményez. Így kezdődik az elektromágneses vihar kaszkád, ami a kozmikus sugárzás puha összetevőjének születéséhez vezet. Ugyanakkor az elsődleges proton, még akkor is, ha lemondott energiájáról, valamint a pionok és más instabil részecskék, amelyeknek nincs ideje szétesni, továbbra is összeütköznek az atommagokkal, ami a hadron-kaszkád összes új erősen kölcsönható részecskéjét eredményezi. Mindezen átalakítások során nemcsak a bazsarózsa, hanem más hadronok is, mint például a kaonok és a hiperonok.

A légkör tűz alatt

A kozmikus sugarak valóban hatással vannak a Föld légkörére. Ha a protonok egyszerűen feltörik a megtalált magokat, akkor a nagyobb tömegű partnerek önmaguk is darabokra bonthatók (például a magnézium magja a térből hat alfa részecskére osztható). Két ilyen reakció különös figyelmet érdemel.A másodlagos termékek számában a kozmikus sugarak neutronokat generálnak, amelyek közül néhány lassul olyan mértékben, amikor a levegő atomjaival ütközik, hogy összeolvadjon a légköri nitrogén atommagokkal. Ily módon egy instabil szén-izotóp magjai 15 km magasságban fordulnak elő. 14A felezési ideje 5,730 év. Oxigénnel kombinálva radioaktív szén-dioxidot képez. 14CO2amely a közönséges szén-dioxiddal együtt a növények által abszorbeálódik, és részt vesz a fotoszintézisben. Ez a körülmény a radiokarbon dating módszer alapja, amelyet széles körben használnak a paleontológiában és a régészetben. A szén-14 felhasználása és egy sokkal hosszabb élettartamú berillium radioaktív izotóp 10Légy kozmikus eredetű, akár a kozmikus sugarak intenzitásának ingadozásainak történetét is 200 000 év mélységig visszaállíthatja (ez a kutatási vonal neve kísérleti paleoastronomia).

A légköri zuhanyzókat az ultrarelativisztikus elektronok is elindíthatják, amelyek az űrből származnak. Ugyanakkor ritkán esik ki, mivel az ilyen elektronok sűrűsége nagyon kicsi. Az űrben rengetegnek tűnnek, de gyorsan gátolják, fotonok szétszóródnak, és elektromágneses hullámokat sugároznak át mágneses mezőkön át.Ezért az 1000 GeV nagyságrendű energiákkal rendelkező elektronok csak a meglehetősen közeli forrásokból érkeznek a Földre, amelyek távolsága nem haladja meg a 3000 fényévet. A nagy energiájú kozmikus protonok mérhetetlenül nagy távolságokat fedeznek fel.

Az elsődleges kozmikus sugarak energiasűrűsége a Nap közelében kb. 1 eV / cm3. A bolygónk számára biztosított energiaellátás nagyon stabil és megközelítőleg 100 MW. Ez az érték kétmilliárdszor kisebb, mint a napfény energiája, azonban összehasonlítható a Földre eső csillagfény energiájával. Igaz, a kozmikus sugarak, a csillagokkal ellentétben, nem inspirálnak költőket – láthatatlanok.

A származás misztériuma

A szinte minden kozmikus részecskék genealógiája meglehetősen megbízhatóan alakul ki. 1934-ben amerikai csillagászok, Fritz Zwicky és Walter Baade azt sugallták, hogy forrásuk szupernóva robbanás lehet. Az 1950-es években ez a hipotézis nagymértékben megerősödött, és azóta általánosan elfogadott.

Mindazonáltal azonnal találkozik egy nyilvánvaló kifogással. Természetes azt feltételezni, hogy a kozmikus sugarak oroszlánrésze a galaxisban született. A csillagok, köztük a szupernóva,a Tejút egyenlítői síkjában koncentrálódnak (pontosabban az ott fekvő spirál karokban), miközben a sugarak minden irányban eljutnak a Földre. Az a tény, hogy a protonok és más töltött részecskék a térben mozognak, nem egyszerű. Útjukat ismételten torzítják a galaktikus mágneses tér és az interstelláris térben szétszórt atomokkal és molekulákkal. A helyzetet bonyolítja, hogy a kozmikus sugarak részecskéi saját mágneses mezőket hoznak létre, amelyek a galaxis általános területén helyezkednek el és torzítják a szerkezetét. Tehát a forrásoktól a Földig terjedő részecskék nagyon zavarosak, és az elmúlt évtizedekben nagyon összetett számítógépes kódokat hoztak létre a modellezéshez.

A szupernóvának elegendő energiája van a kozmikus sugarak előállításához? Amint már említettük, a Nap közelében lévő energia sűrűsége 1 eV / cm3; az átlagos sűrűség nagyobb lehet az egész galaktikus lemezen, de valószínűleg nem haladja meg a 2 eV / cm-t3. Mivel a lemez mérete 1067 lát3, a kozmikus sugárzás teljes energiája 2 × 1067 eV vagy 6 × 1055 erg. A kozmikus sugárzás részecskéinek átlagos élettartama galaxisunkban 15 mA, vagyis 5,4 × 1014 a. E mennyiségek hányadosa 6 × 1040 Az erg / s egyenlő az átlagos energiával, amelyet másodpercenként töltünk, hogy fenntartsuk a kozmikus sugárzás stabil sűrűségét. Másrészt a szupernóva legalább 50 év alatt, vagy 1,5 × 10-ben felrobban a galaxisban9 és minden robbanás olyan részecskéket dob, amelyek átlagos teljes energiája 1050 erg. Tehát minden második energiatermelés legalább 6 × 1040 erg – amennyire szükséges. Nem számít, mennyire közelíti ezt a becslést, a Zwicky és a Baade hipotézisén dolgozik.

A bolygónk környékét elérő kozmikus protonok energiája 10-től változik8 legfeljebb 1020 eV. Úgy gondolják, hogy szinte mindegyikük – az igen ritka részecskék kivételével – az intervallum felső határán gyorsul a rázkódás, amely az intragalaktikus szupernóva robbanásait kísérte. Az ilyen robbanás az űrbe dobja a haldokló csillag külső héjának anyagát a fénysebesség legfeljebb tíz százalékáig. Ez sokkal több, mint a hangsebesség az interstellar közegben, ami a lökéshullámok megjelenéséhez vezet. Ugyanakkor keletkeznek kaotikus mágneses mezők, amelyek a protonokat arra kényszerítik, hogy ismétlődően ugorjanak a lökéshullámok frontjai és a még össze nem szorított csillagközi közeg között. Minden egyes hopnál a proton növeli a kinetikus energiát a lökéshullám energiája miatt.

Supernova szörfözés
A kozmikus sugarak töltött részecskéi óriási energiákra gyorsulnak fel, a szupernóva-robbanás lökéshullámából az interstelláris gáz még mindig tömörítetlen anyagába ugrik, ahogyan a szörfös felgyorsul, leereszkedve a hullám széléről

A legmagasabb energiaigényű, de számszerűen kisebb számban maradnak az átmenetek maximális száma. Ennek eredményeképpen egy szupernóva-robbanás bőségesen felhajtja a hidrogénmagokat 10-es energiával12 eV, de sokkal kisebb mennyiségben nagy energiájú részecskéket hoz létre. "Ez a mechanizmus jól megmagyarázza a protonok és a vegyületmagok gyorsulásának körülbelül 10-es energiaigényét16 eV, mondja Angela Olinto, a csillagászat és asztrofizika professzora a Chicagói Egyetemen. – Lehetséges, hogy a legsúlyosabb összeomló csillagok robbanása akár 10-re gyorsítja a protonokat18 eV. A Tejútban lévő nagy energiájú protonok forrásai még nem találtak, tehát szinte biztosan más galaxisokból származnak. "

A Supernova robbanások szupergyors elektronokat is létrehoznak positronokkal. Azonban ezek a részecskék könnyen lelassíthatók és szétszóródhatnak az interstelláris közegben, és a legtöbb esetben nincs idő elérni a Földet (ésa pozitronok is megsemmisítik). Ezért az elsődleges kozmikus sugárzásban való részesedésük kicsi, és az energia nem túl nagy.

Rays rekord breakers

Fél évszázaddal ezelőtt az amerikai fizikusok egy széles, kozmikus felhőzetet regisztráltak egy 100 EeV (exelectronvolt) energiával rendelkező részecske által. Azóta csak ebből a nagyságrendből több tucat eseményt figyeltek meg. A még megmaradt rekordot 1991. október 15-én állították fel, amikor az Utah amerikai állambeli Fly's Eye detektor felfedezett 320 EeV vagy 51 J energiájú részecske aláírást (a kinetikus energia 160 km / h sebességgel repül).

Most ezek a részecskék csak három helyen tanulmányozhatók – ez a Auger Obszervatórium, amely 2007 óta működik. Teleszkóp tömb Utah államban és az EAS orosz telepítésével, a Yakutsk déli részén fekvő Oktemtsy községben (a három csak muon detektorokkal). Ezeknek a részecskéknek az eredete még nem ismert; még akkor sem teljes bizalom, hogy mindegyikük protonok, alfa részecskék vagy fémmagok. A leggyakoribb változat szerint a galaxisok aktív atomjaiban születnek. De vannak más magyarázatok, amelyek összekapcsolják őket a gamma-sugár robbanásokkal, a felhalmozódási folyamatok közel erősen magnetizált neutroncsillagok,a fekete lyukak egyesülését és akár a hipotetikus tömeges sötétanyag-részecskék összeomlását, vagy a Big Bang korszakban örökölt űrben még inkább hipotetikus topológiai hibák szétesését.

De nem számít, hogy a protonok több száz EEV energiával jelennek meg, forrásuk nem messze van a Galaxistól, legalábbis a kozmológiai távolságoktól. Utazás az űrben, kölcsönhatásba lépnek a mikrohullámú háttérsugárzás-kvantummal, amelynek sűrűsége körülbelül 400 foton / cm3. Ezek az ütközések a pionok születéséhez vezetnek, mind pozitív töltésűek, mind semlegesek. Egy feltöltött pion egy neutronnal együtt jelentkezik, amely után mindkét részecske szétesik – az első nagyon gyorsan, a második percben. A neutrális pion, amely még gyorsabban bomlik, megjelenik a proton mellett, amelynek energiája észrevehetően alacsonyabb a szülő részecske energiájánál (ugyanez vonatkozik a neutron bomlása miatt született protonokra). Ennek eredményeképpen a forrástól több mint 50 megapixeles távolság (160 millió fényév) 50 EeV-nál nagyobb energiájú protonok nincsenek. Ezt a hatást az 1960-as évek közepén a Cornell egyetem professzora Kenneth Greisen, majd a FIAN munkatársai, George Zatsepin és Vadim Kuzmin előrejelezte.

Muon Metrophysics

A kozmikus sugarakat földi és földalatti megfigyelőközpontokban, repülőgépeken, léggömbökön és űrhajókon telepített detektorok segítségével vizsgálják. Egy 10 éves megfigyelőközpont működött a moszkvai metró Kropotkinskaya és a Park Kultury nevű állomáson. Mint Irina Rakobolskaya, a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának professzora-tanácsadója elmondta a "PM" -nek, a 1960-as évek végén 144 többrétegű kamrát szereltek fel, amely az elsődleges nukleonok által generált muonokat 1015-1016 eV. A muonok nyomot hagytak a kétoldalas röntgenfilmek rétegeiben, amelyek teljes területe 4000 m volt2réteges ólomlemezekkel. A moszkvai fizikusok érdekes eredményeket értek el, amelyek lehetővé tették az amerikai kollégáik által elkövetett hibák kijavítását.

Kövesse az ösvényt

Az ultrarelativista báriumokat az intergalaktikus mágneses mezők nagyon gyengék, így a pályák megközelítik a forrás irányát. A csillagászok magukra próbálnak magukhoz jutni, de Olinto professzor szerint nem sok sikert aratott.A probléma megoldásának megkönnyítése érdekében több ultrahigh energiájú részecskét kell regisztrálni. Ez a JEM-EUSO nemzetközi projektre irányul (Japán kísérleti modul – Extrém univerzum űrmegfigyelő központ), amely 2016-ban telepíti az egyedülálló nagylátószögű távcsövet a Nemzetközi Űrállomás japán moduljában. Ez az eszköz nyomon fogja követni az ultraibolya fotonokat, amelyek a tízes és több száz eV energiával rendelkező részecskék által előidézett légköri zuhanyok során jelentkeznek. Mivel az orbitális teleszkóp tágabb látószöggel rendelkezik, mint a földi telepítések, sokkal több részecskét képes elkapni.

Az orosz tudósok már évek óta részt vesznek a JEM-EUSO projekt előkészítésében. "A program keretében terveztünk eszközöket a Tatiana-1 és a Tatiana-2 mini-műholdak számára, és jövőre reméljük, hogy sokkal nehezebb Lomonosov műholdat indítunk" – mondta Mikhail Skobeltsyn, a Moszkvai Állami Egyetem Nukleáris Fizikai Intézetének igazgatója Panasyuk – Ezeknek az indítékoknak egyik célja az, hogy kidolgozzák az ultraibolya sugárzások kozmikus sugarakból való izolálására szolgáló módszereket az atmoszférának az ultraibolya sugárzás általános hátterével szemben. Ez nagyon nehéz feladat, és a műholdakból származó információk segítenek megoldani.A teleszkóp működésével és a mechanikai rendszerekkel kapcsolatos légköri folyamatok modellezésével is foglalkozunk: a teleszkóp elforgatható pályára kerül, majd az üzemi állapotba kerül. Sajnos eddig a kísérlet sorsa nem egyértelmű, mivel tavaly szeptemberben a NASA nem volt hajlandó részt venni a projektben. Emiatt Japán még nem hozott végleges döntést a távcső elindításáról, bár ezt a kísérletet az Európai Űrügynökség aktívan támogatja és támogatja. "

Egy új fizika felé

Az utóbbi években a kozmikus sugarak ismét belépnek az alapvető fizikai érdekek közé. "Alacsony energia-részecskék nem haladják meg a 10-et12 eV, sokat, könnyedén rögzítik a földi, a levegőben és a helyeken alapuló eszközök. A 2006 júniusában indított orosz Resurs-DK1 műholdra telepített PAMELA detektor komplex szintén részt vesz ebben, az orosz Tudományos Akadémia Nukleáris Fizikai Intézetének vezető kutatója, Szergej Troitsky magyarázta a Popular Mechanics. – Az eszközök bizonyos energiák pozitívjainak feleslegét rögzítették, ami elég nehéz magyarázni.Vannak gyanúk, hogy "extra" pozitívok keletkeznek, amikor megsemmisítik a sötét anyag részecskéket, amelyek még nem fedezhetők fel. Ha ezek a gyanúk megerősítést nyernek, esélyei lesznek a tulajdonságaikról a kozmikus sugárzás megfigyeléseiről.

A második lehetőség a legenergetikusabb kozmikus részecskék használata a Genf Nagy Hadron-összeütközőjének egyfajta kiegészítéseként. Az ilyen részecskék levegő atomokkal való ütközésének következményei az atom-részecske-párt tömegközéppontjához kötődő referenciakeretben lévő energiájuktól függenek. Sokkal kevesebb, mint a laboratóriumi referenciakeretben több száz EEV sorrendje, de még tízszer annyi, mint az LHC kísérletekben elérhető megfelelő energia. Ha részletesen beazonosítja a széles zuhany zuhanyzását, akkor a "szülő" részecske első ütközését követően azonnal tájékozódhat a folyamatokról.

Van egy egzotikusabb keresővonal. Egyes adatok azt mutatják, hogy a 10 EeV-os rendszámú energiák részecskéinek 2-3% -a származik a Lac-certidekből, amelyek az elektromágneses sugárzás egyes galaxis magjaiban erős forrásokból származnak. Nem egyszerűen a Tejút közelében vannak, legalább száz és ötven megaparszszel távol vannak tőlünk.Azonban az a tény, hogy az ismert semleges részecskék egyike sem repülhet ilyen távolságban. A protonok és atommagok képesek erre, azonban az intergalaktikus mágneses mezőkben sokkal nagyobb szögben térnek el az utasításoktól a Lazertida feltételezett forrásaiig, ahogy azt a megfigyelések mutatják. Ezért felmerül a kérdés: létezik-e új fizika?


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: