Tér esőzések
A földet kozmikus bombázásnak vetik alá. Nem, ez nem idézet egy fantasztikus akciófilmből, hanem a valóságból - a bolygót folyamatosan "bombázzák" a töltött részecskék patakaiból a mély űrből
A levegőben lévő atomok ütközésével a kozmikus részecskék az atomreakciók elágazó láncát idéznek elő, amelyek különböző másodlagos termékeket termelnek. A légkörbe belépő tízes és több száz TeV energiával rendelkező proton más nagy energiájú részecskéket eredményez, amelyek a környező atomok köré szétszóródnak, és a következő generációk részecskéinek életre kelnek. Ennek eredményeképpen a részecskék kaszkád termelése a levegő medencében történik, amelyek közül sok instabil és gyorsan bomlik. Ez az, hogy hány részecskék légköri zuhanyzása fordul elő, amit Dmitrii Skobeltsyn az 1920-as évek végén először megfigyelt.
Az "eső"
Sugárzók
A NASA szerint a kozmikus sugarak 98% -ban báriumokat (protonok és alfa részecskék - héliummagok) tartalmaznak. Amikor a légkörben lévő gázok atomjaival ütköznek, sok darabot és töltetlen és semleges részecskéket generálnak, amelyek viszont összeütköznek az atomok atomjával, bomlanak és "kozmikus zuhanyt"
Egy cseppről zuhanyzókra
A nehéz esőzések regisztrációja nem egyszerű feladat. A légkör felső határ négyzetkilométerén átlagosan 10 19 eV energiával eső részecske esik évente, miközben egy 10 20 eV energiával rendelkező részecske sokkal kisebb, mint egy évszázadon át ugyanazon a területen. Ezért az ilyen részecskék által előállított zuhanyzók kimutatására óriási méretű berendezések kerülnek kialakításra. Így a Pierre Auger Obszervatórium fő komplexuma 1600 cseppfolyós vízből áll, és a Cerenkov-sugárzás szenzorai 3000 km 2 körüli területeken szétszórva.
A zuhany kialakulásához kétfajta folyamat létezik: hadronikus és elektromágneses folyamatok. Az elsődleges proton ütközik az atommaggal, és töredékbe olvad. Ha az energia nem haladja meg a néhány száz MeV, minden véget ér, és bár a protonok energiáját a tíz és több száz GeV oka van sokkal súlyosabb következményekkel jár. Az első ütközés után egy ilyen proton továbbra is kevesebb energiával mozog (az eredeti 30% -a). A találkozó során általában töltődött és semleges pionok keletkeznek, de nagyobb tömegek keletkezhetnek. A feltöltött pion összeütközik a nucleus másik atom, és ad okot, hogy az új nukleáris folyamatok, vagy nincs ideje rá, és bomlik egy müon ugyanolyan előjelű és müon neutrínó (van egy másik bomlási csatornában, de a valószínűsége nagyon kicsi). Müon, amelynek óriási a szabványok elemi részecske élettartama mért mikromásodpercben pár mozgó közel fénysebességgel és kölcsönhatásba nagyon gyengén magok, veszít egy kis energia csak átmenő elektronhéjak. Ezért kiváló esélye van arra, hogy elérje a Föld felszínét és még mélyen behatoljon a földbe.
Végül a muonok is bomlanak, és szinte mindig egy elektron vagy pozitron (jelüktől függően) és egy pár neutrínó, muon és elektron. A neutrális bazsarózsa, amely körülbelül százmilliószor kevesebb, mint a töltött, valószínűleg nem ütközik semmihez, és egy pár gamma-ray foton légkörévé válik. Atomok szétszóródnak és elektron-pozitron párokat hoznak létre, és a pozitronok gyorsan megsemmisülnek, ami új gamma-kvantumot eredményez. Így elektromágneses vihar-kaszkád keletkezik, ami a kozmikus sugárzás puha komponensének megszületéséhez vezet. Ugyanakkor az elsődleges proton, bár, és így energia egy részét, és nem volt ideje szakítani a pionokról és egyéb instabil részecskék továbbra is foglalkozik az atommagok, aminek következtében az összes új erősen kölcsönható részecskék Hadron kaszkád. Mindezen átalakítások során nemcsak a pionok jelennek meg, 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 protonok egyszerűen törni ass nucleus, azok nagyobb tömegű partnerek maguk is törnek darabokra (például, repült a tér magnézium mag szét hat alfa-részecskék). Két ilyen reakció különös figyelmet érdemel. A másodlagos termékek kozmikus sugárzás generálására neutronok, egy részük, így lassuló ütközések atomjaiba levegő egyesül a légköri nitrogén magok. Ily módon a 15 kilométeres magasságban keletkezik instabil atommag szénizotóp 14 C felezési 5730 év. Kombinálva az oxigénnel radioaktív szén-dioxid 14 CO2-t alkot. amely a közönséges szén-dioxiddal együtt a növények által felszívódik, és részt vesz a fotoszintézis folyamatában. Ez a körülmény a radiokarbon dating módszerének alapja, amelyet széles körben használnak a paleontológiában és a régészetben. Szén-14 és még sok más hosszú élettartamú radioaktív izotóp berillium 10 Legyen kozmikus eredetű is rekonstruálni a történelem, a rezgés intenzitása a kozmikus sugárzás magukat, hogy a mélysége legfeljebb 200 000 év alatt (ezt a kutatási úgynevezett kísérleti paleoastronomiey).
Az atmoszférikus zuhanyzók kiválthatják az ultrarelativisztikus elektronokat az űrből. Ugyanakkor ritkán esik ki, mivel az ilyen elektronok sűrűsége nagyon kicsi. Az űrben bőségesen keletkeznek, de gyorsan lelassítanak, fotonokon elszivárognak, és elektromágneses hullámokat bocsátanak ki mágneses mezőkön keresztül. Ezért az 1000 GeV nagyságrendű energiáktól származó elektronok csak a meglehetősen szoros forrásokból érkeznek a Földre, amelyek távolsága nem haladja meg a 3000 fényévet. A nagy energiák kozmikus protonjai mérhetetlenül nagy távolságokat fednek le.
A primer kozmikus sugarak energiasűrűsége a Nap közelében kb. 1 eV / cm 3. A bolygónk által nyújtott energiaminták nagyon stabilak és megközelítőleg 100 MW. Ez az érték kétmilliárdszor kisebb, mint a napsugárzás energiája, de összehasonlítható az incidens csillagfényének energiájával. Igaz, a kozmikus sugarak, a csillagokkal ellentétben, nem inspirálnak költőket - láthatatlanok.
A származás misztériuma
A szinte minden kozmikus részecskék törzsét meglehetősen megbízhatóan alakították ki. 1934-ben az amerikai csillagászok, Fritz Zwicky és Walter Baade azt feltételezték, hogy forrásuk szupernóva robbanás lehet. Az 1950-es években ez a hipotézis erősen 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 is, a Tejút egyenlítői síkjában koncentrálódnak (pontosabban az ott fekvő spirálkarokban), míg a sugarak minden irányból eljutnak a Földre. Az a tény, hogy a protonok és más töltött részecskék a térben mozognak, egyáltalán nem egyenes vonalúak. Útjaikat a galaktikus mágneses tér ismételten meghajlítja, és az interstelláris térben szétszórt atomokkal és molekulákkal ütközik. A helyzetet bonyolítja az a tény, hogy a kozmikus sugarak részecskéi saját mágneses mezőket hoznak létre, amelyek a galaxis általános területén helyezkednek el és deformálják szerkezetét. Tehát a részecskék forrása a Földre nagyon zavaros, és az elmúlt évtizedek modellezésére nagyon összetett számítógépes kódokat hoztak létre.
A szupernóvának elegendő energiája van a kozmikus sugarak előállításához? Amint már említettük, a Nap közelében lévő energia sűrűsége 1 eV / cm 3; Keresztüli átlagos sűrűséget galaktikus korongban nagyobb lehet, de valószínűleg nem több, mint 2 eV / cm 3. Mivel a kötet a lemez 67 10 cm 3 A teljes maximális energiájú kozmikus sugarak 2 × 10 67 eV, vagy 10 × 55 6 joule. A galaxis kozmikus sugárzásának vándorló részecskéinek átlagos élettartama 15 millió évre, vagyis 5,4 × 10 14 s. Ezeknek az értékeknek a hányadosa, egyenlő 6 × 10 40 erg / s, megegyezik azzal az átlagos energiával, amelyet másodpercenként töltenek el, hogy fenntartsák a kozmikus sugárzás stabil sűrűségét. Másrészt, supernew felrobban a mi Galaxy nem kevesebb, mint 50 évben egyszer vagy 1,5 × 10 9, és minden robbanást bocsát részecskék közepes teljes energia a 10 és 50 erg. Így minden második generációs energiának legalább 6 × 10 40 ergs - amennyire szükséges. Nem számít, mennyire durva ez a becslés, a Zwicky és a Baade hipotézisén dolgozik.
A bolygónk közelségét elérő kozmikus protonok energiája 10-8 és 10 20 eV között változik. 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 a haldokló csillag külső héjának anyagát a fénysebesség legfeljebb tíz százalékáig dobja az űrbe. Ez sokkal több, mint a hangsebesség az interstellar közegben, ami a lökéshullámok megjelenéséhez vezet. Ebben az esetben kaotikus mágneses mezők jönnek létre, amelyek a protonokat sokszor a sokkoló hullámfrontok és az egymásba tömörített köztes közeg anyagának ugrásával kényszerítik. Minden egyes hopnál a proton növeli a kinetikus energiát a lökéshullám energiája miatt.
Szörfözés szörfözéssel
A töltött részecskék gyorsítása a kozmikus sugárzás hatalmas energia a lökéshullám ugró szupernóva még tömörítetlen anyag csillagközi gáz, mint ahogy a szörfös gyorsítja le a gerincén a hullám
A legmagasabb energiát nyerik a protonok, amelyek a legmagasabb átmeneteken mennek keresztül, de kisebbségben maradnak. Ennek eredményeképpen a szupernóva-robbanás egy kozmoszba bocsátja a hidrogénmagokat 10 12 eV-ig terjedő energiával, de sokkal kisebb mennyiségben nagy energiájú részecskéket generál. „Ez a mechanizmus magyarázza is a gyorsulás protonok és összetett atommagok energia nagyságrendileg október 16 eV, - mondja a professzor Astronomy and Astrophysics, University of Chicago Angela Olinto. - Lehetséges, hogy a legsúlyosabb összeomló csillagok robbanása akár 10 18 eV-ig is eloszlatja a protonokat. A Tejútban lévő nagy energiájú protonok forrásai még nem találtak, tehát szinte biztosan más galaxisokból származnak. "
A szupernóvák robbanásait szintén a szupergyors elektronok generálják positronokkal. Azonban ezek a részecskék könnyen gátolhatók és szétszóródnak az interstellar közegben, és nagyrészt nem érik el a Földet (és a pozitronok is megsemmisítik). Ezért az elsődleges kozmikus sugarak frakciója kicsi, és az energiák nem túl nagyok.
Rays-record holders
De nem számít, hogy protonok keletkeznek több száz EEV energiával, forrásuk nem túl messze van a Galaxistól - legalábbis nem kozmológiai távolságokon. Utazás közben a térben, kölcsönhatásban vannak kvantum CMB, sűrűsége, amely körülbelül 400 fotonok 1 cm 3 Ezek az ütközések vezethet pionokról pozitív töltésű, és semleges. A feltöltött pion egy neutronnal együtt jelenik meg, amely után a két részecske bomlik - az első nagyon gyorsan, a második percben. Semleges pion, amely lebomlik gyorsabban, jelennek meg együtt egy proton amelynek energiája észrevehetően rosszabb, mint a szülői energiájú részecskék (ugyanez vonatkozik a protonok, született eredményeként neutron bomlás). Ennek eredményeképpen a forrástól 50 megaparsz-ot meghaladó távolságban (160 millió fényév) 50 EeV fölötti energiával nem rendelkeznek protonok. Ez a hatás az 1960-as évek jósolt a professzor a Cornell Egyetem és az akkori Kenneth Gray személyzete LPI Georgi Zatsepin és Vadim Kuzmin.
Muon metafizika
A kozmikus sugarakat földi és földalatti megfigyelőközpontokban, repülőgépeken, léggömbökön és űrjárművekben szerelt detektorok segítségével tanulmányozzák. Egy ilyen megfigyelőközpont 10 éven keresztül működött a moszkvai Kropotkinskaya és Park Kultury metróállomások konzervdobozban. Mint mondta, a „PM” tanár és tanácsadó Fizika Tanszék Irina Rakobolskaya ott a 1960-as években, 144 multi-kamerát telepítettek, amelyek rögzítették müonokat által generált elsődleges nukleonok energiákkal akár október 15 -10 16 eV. A muonok nyomot hagytak kétoldalas röntgenfilm-rétegek heggyel, melynek teljes területe 4000 m 2 volt. Ezeket ólomlemezekkel helyezték el. A moszkvai fizikusok érdekes eredményeket hoztak, amelyek lehetővé tették az amerikai kollégáik által elkövetett hibák kijavítását.
Kövesse az ösvényt
Egy új fizika felé
A második lehetőség a legenergetikusabb kozmikus részecskék alkalmazása a Genf Nagy Hadron-összeütközőjének egyfajta kiegészítőjeként. Az ilyen részecskék levegő atomokkal történő ütközéseinek következményei az atomrészecske-párt tömegközéppontjához kötődő referenciarendszerben lévő energiájuktól függenek. Sokkal kisebb, mint a laboratóriumi referenciaképben több száz EeV sorrendje, de még mindig tízszer nagyobb, mint az LHC kísérletekben elérhető megfelelő energia. Ha részletesen regisztrálja a tágas zuhany különböző összetevőit, információt kaphat a folyamatokról a "szülő" részecske első ütközését követően.
Van egy egzotikusabb keresővonal is. Egyes adatok azt mutatják, hogy a 10 EeV-os rendszámú energiákból származó részecskék 2-3% -a érkezik a lacertidekből, és az elektromágneses sugárzás erőforrásai egyes galaxisok magjaiban. A Tejút közelében, egyszerűen nem léteznek, legalább száz és ötven megaparszál van tőlünk. Azonban az a lényeg, hogy az ismert semleges részecskék egyike sem repülhet ilyen távolságban. A protonok és atommagok képesek erre, azonban az intergalaktikus mágneses mezőkben az irányoktól a feltételezett lacert forrásokig sokkal nagyobb szögeket mutatnak, mint a megfigyelések. Ezért felmerül a kérdés: létezik-e új fizika?