LHC energijos – tik vaikų žaidimas: kaip kosminius spindulius išduoda greitesnis už šviesą judėjimas ir kodėl Čerenkovo teleskopų masyvas reikš įspūdingą pažangą  ()

Visatoje galioja greičio riba – šviesos greitis vakuume, c, — tačiau tai neriboja dalelių energingumo. Kuo daugiau energijos masę turinčiai dalelei suteikiama, tuo ji juda greičiau, asimptotiškai artėdama prie šios greičio ribos. Bet yra paradoksas – kuo energingesnė dalelė, tuo sunkiau ją tiksliai aptikti ir išmatuoti.

Visatos kosminiai spinduliai, – energingos dalelės – aukštutinėje atmosferoje atsitrenkia į protonus ir sukuria naujų dalelių kaskadas. Greitai judančios elektringos dalelės išskiria šviesą dėl Čerenkovo spinduliavimo, nes Žemės atmosferoje jos juda greičiau nei šviesa, ir sukuria antrines dales, kurios gali būti aptinkamos Žemės paviršiuje.
Visatos kosminiai spinduliai, – energingos dalelės – aukštutinėje atmosferoje atsitrenkia į protonus ir sukuria naujų dalelių kaskadas. Greitai judančios elektringos dalelės išskiria šviesą dėl Čerenkovo spinduliavimo, nes Žemės atmosferoje jos juda greičiau nei šviesa, ir sukuria antrines dales, kurios gali būti aptinkamos Žemės paviršiuje.
© Simon Swordy (U. Chicago), NASA

Priežastis aiški ir paprasta: norint išmatuoti pradinės dalelės energiją, reikia, kad jos visa skilimo produktų energija būtų surinkta jutiklyje, ir būtų galima atkurti pirminę energiją, masę, krūvį ir taip toliau. Statyti didesnius, masyvesnius jutiklius – ne išeitis, nes kosminių spindulių energija gali būti milijonus kartų didesnė už pasiekiamas LHC. Bet sumažindami šviesos greitį, fizikai tas kosmines energijas gali išmatuoti. Štai kaip.

CMS Collaboration, kurios detektoriai prieš surinkimą čia pavaizduoti, yra vieni iš didžiausių ir turinčių daugiausiai jutiklių. Jų centre susiduriančios dalelė paliks žymes ir skeveldras, iš kurių mokslininkai galės rekonstruoti bet kokių sukurtų dalelių savybes. Tačiau kosminių spindulių matavimui šis metodas visiškai netinka.
CMS Collaboration, kurios detektoriai prieš surinkimą čia pavaizduoti, yra vieni iš didžiausių ir turinčių daugiausiai jutiklių. Jų centre susiduriančios dalelė paliks žymes ir skeveldras, iš kurių mokslininkai galės rekonstruoti bet kokių sukurtų dalelių savybes. Tačiau kosminių spindulių matavimui šis metodas visiškai netinka.
© CERN/Maximlien Brice

Kuo didesnė dalelės energija, tuo ji lengviau sąveikauja su kitomis. Bet kokia sąveika gali spontaniškai sukurti naujas daleles ir antidaleles — remiantis Einšteino E = mc² — ar spinduliuoti radiacijos kvantą: fotoną. Kuo spartesnė dalelė, tuo labiau tikėtina, kad sąveikos metu bus sukurtos dalelės, nusinešančios dalį pirminės dalelės energijos.

Energingų dalelių kūrimui labiausiai tinka elektromagnetinis laukas. Elektros lauke atsidūrusi dalelė spartėja lauko kryptimi; magnetiniame lauke atsidūrusi dalelė spartinama statmenai lauko krypčiai ir dalelės judėjimo krypčiai. Galingiausi natūralūs Visatos greitintuvai yra ne Žemėje, o ekstremaliose astrofizikinėse aplinkose: šalia neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių.

Dailininko pavaizduota juodosios slylės aplinka su karštos plazmos akreciniu disku ir reliatyvistine čiurkšle. Dar nežinome, ar juodosios skylės turi savo, nepriklausantį nuo šalia esančios materijos, magnetinį  lauką. Daug didžiausios energijos kosminių spindulių kilmė buvo susieta  su juodosiomis skylėmis ar neutroninėmis žvaigždėmis.
Dailininko pavaizduota juodosios slylės aplinka su karštos plazmos akreciniu disku ir reliatyvistine čiurkšle. Dar nežinome, ar juodosios skylės turi savo, nepriklausantį nuo šalia esančios materijos, magnetinį lauką. Daug didžiausios energijos kosminių spindulių kilmė buvo susieta su juodosiomis skylėmis ar neutroninėmis žvaigždėmis.
© Nicolle R. Fuller/NSF

Žemėje dalelių greitintuvais protonus ir elektronus įspartiname taip arti 1905 metais A. Einšteino nustatytos kosminio greičio ribos, šviesos greičio vakuume – c, arba 299 792 458 m/s., – kiek tik galima laboratorinėmis sąlygomis. Bet kad ir kokios greitas ir energingas daleles daleles kuriame, jos paprasčiausiai nė iš tolo neprilygsta kai kurių užfiksuotų kosminių spindulių energijoms.

DalelėDalelės energijaŠviesos greičio procentas, %Absoliutus greitis, m/s
1980 GeV99,999954299 792 320
27 TeV99,999990299 792 455
3105 GeV99,999 999 988299 792 457,9964
45×10¹⁰ GeV99,999 999 999 999 999 973299 792 457,999 999 999 992
  1. Greičiausias Fermilab protonas
  2. Greičiausias LHC protonas
  3. Greičiausias LEP elektronas (labiausiai Žemėje įgreitinta dalelė)
  4. Greičiausias kosminio spinduliavimo protonas

Žemėje esantys greitintuvai nė iš tolo neprilygsta greičiausioms užfiksuotoms dalelėms; jie netgi ne toje pačioje lygoje.

Hubble teleskopo pateiktuose NGC 1275 galaktikos vaizduose regimi aktyviai besimaitinančios centrinės juodosios skylės ženklai. Šios aktyvios galaktikos skleidžaimas aukštos energijos spinduliavimas ir dalelės tėra vienas iš astrofizikinių reiškinių, kurių energijos viršija bet ką, ką kada nors sukūrėme Žemėje.
Hubble teleskopo pateiktuose NGC 1275 galaktikos vaizduose regimi aktyviai besimaitinančios centrinės juodosios skylės ženklai. Šios aktyvios galaktikos skleidžaimas aukštos energijos spinduliavimas ir dalelės tėra vienas iš astrofizikinių reiškinių, kurių energijos viršija bet ką, ką kada nors sukūrėme Žemėje.
© NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)

Galime kuo puikiausiai kontroliuoti elektrinius ir magnetinius laukus laboratorijose, bet žemiškas energijas riboja fizinės elektromagnetų ir greitintuvų ribos. Jos išties įspūdingos, bet su Visatos laboratorija lygiuotis tikrai negali.

Juodosios skylės, neutroninės žvaigždės, susiliejančių žvaigždžių sistemos, supernovos ir kiti astrofiziniai kataklizmai gali įgreitinti daleles iki tokių energijų, kokių Žemėje niekados nepasietume. Didžiausios energijos kosminių spindulių greitis taip arti šviesos greičio c, kad jei tarp tokio kosminio spinduliavimo protono ir fotono surengtumėme lenktynes „Žemė – Kentauro Proksima – Žemė“, beveik 8,5 šviesmečių ilgio trasoje fotonas tik vos vos pirmautų. Protonas atsiliktų 22 mikronais, finišo liniją kirsdamas 0,7 pikosekundės vėliau.

Dalis skaitmeninio dangaus stebėjimo vaizdo, su centre raudonai pavaizduota artimiausia žvaigžde nuo Saulės, Proxima Centauri. Nors Saulė ir panašios į ją žvaigždės nėra retenybė, iš tiesų jos masytvesnės už 95% Visatos žvaigdžių, o 3 iš 4 Proxima Centauri žvaigdžių priklauso raudonųjų nykštukių klasei. Barnardo žvaigždė, antra artimiausia žvaigždžių sistema po Alpha Centauri, irgi yra M klasės žvaigždė.
Dalis skaitmeninio dangaus stebėjimo vaizdo, su centre raudonai pavaizduota artimiausia žvaigžde nuo Saulės, Proxima Centauri. Nors Saulė ir panašios į ją žvaigždės nėra retenybė, iš tiesų jos masytvesnės už 95% Visatos žvaigdžių, o 3 iš 4 Proxima Centauri žvaigdžių priklauso raudonųjų nykštukių klasei. Barnardo žvaigždė, antra artimiausia žvaigždžių sistema po Alpha Centauri, irgi yra M klasės žvaigždė.
© David Malin, UK Schmidt Telescope, DSS, AAOaudamas

Tokius itin aukštos energijos kosminius spindulius kuria daug Visatos objektų, ir jie sklinda visomis kryptimis. Kartkartėmis kuri nors tokia dalelė gali pataikyti į Žemę. Tokie nedažnai pasitaikantys atsitikimai suteikia mums galimybę išmatuoti žemę pasiekusių dalelių energijas ir atkurti pradinio kosminio spindulio savybes.

Mes galime tai atlikti, nes mūsų planetą gaubia atmosfera. Šimtų kilometrų storio atmosfera veikia kaip terpė, o ne grynas vakuumas. Nors šviesos greitis vakuume fiksuotas ir nekintamas — 299 792 458 m/s — švieos greitis terpėje visada mažesnis. Netgi ore, kurio optinės savybės gana panašios į vakuumo, šviesa sulėtėja iki „vos“ 99,97% greičio vakuume.

Aidaho nacionalinės laboratorijos Pažangiojo bandomojo reaktoriaus (Advanced Test Reactor) šerdis melsvai švyti ne dėl kokio nors madingo apšvietimo, o dėl to, kad iš branduolinio reaktoriaus į aplinkinį vandenį reliatyvistiniais greičiais skrieja įelektrintos dalelės. Per vandenį jos lekia greičiau nei šviesa, taip sukurdamos melsvą Čerenkovo spinduliavimą.
Aidaho nacionalinės laboratorijos Pažangiojo bandomojo reaktoriaus (Advanced Test Reactor) šerdis melsvai švyti ne dėl kokio nors madingo apšvietimo, o dėl to, kad iš branduolinio reaktoriaus į aplinkinį vandenį reliatyvistiniais greičiais skrieja įelektrintos dalelės. Per vandenį jos lekia greičiau nei šviesa, taip sukurdamos melsvą Čerenkovo spinduliavimą.
© Argonne National Laboratory

0,03% sulėtėjimas nėra didelis, bet tiek užtenka, kad įvyktų kai kas įspūdingo: atmosferoje skriejančių didelės energijos dalelių greitis tampa didesnis už šviesos greitį toje. Tada jos išspinduliuoja mėlyną šviesą, tam tikro kampo kūgio formą, vadinamą Čerenkovo spinduliavimu

Dėl to galinčias apšvitinti žmones greitas daleles spinduliuojantys branduoliniai reaktoriai panardinami į vandenį – vanduo šias daleles sulėtina, paversdamas nekenksmingu melsvu švytėjimu. Dalelių energiją paverčiant šviesa, padidėja šalia esančių žmonių saugumas.

Animacija, vaizduojanti, kas nutinka reliatyvistinei, įelektrintai dalelei judant didesniu greičiu, nei šviesos greitis toje terpėje. Dėl sąveikos dalelė išspinduliuoja šviesos kūgį, vadinamąjį Čerenkovo spinduliavimą, kuris priklauso nuo pradinės dalelė greičio ir energijos.  Šio spinduliavimo savybių nustatymas yra labai naudionga ir plačiai naudojama ekperimentinės dalelių fizikos technika.
Animacija, vaizduojanti, kas nutinka reliatyvistinei, įelektrintai dalelei judant didesniu greičiu, nei šviesos greitis toje terpėje. Dėl sąveikos dalelė išspinduliuoja šviesos kūgį, vadinamąjį Čerenkovo spinduliavimą, kuris priklauso nuo pradinės dalelė greičio ir energijos. Šio spinduliavimo savybių nustatymas yra labai naudionga ir plačiai naudojama ekperimentinės dalelių fizikos technika.
© vlastni dilo / H. Seldon / public domain

Į mūsų atmosferą patekę kosminiai spinduliai juda daug greičiau, nei bet kokios branduoliniuose reaktoriuose atsirandančios dalelės, bet visos jos paklūsta tiems patiems fizikos dėsniams. Čerenkovo spinduliavimo dažnis priklauso nuo kosminių spindulių energijos. Šį spinduliavimą sudaro gama spinduliai, o kadangi jie sukuriami šimtų kilometrų aukštyje, norint juos aptikti, reikia didžiulio gama spinduliams jautrių teleskopų masyvo.

Tad, idėja būtų sukurti Čerenkovo teleskopų masyvą, galintį aptikti šį spinduliavimą visoje Žemėje. Išvydus net dalį atitinkamo spinduliavimo kūgio ir atsekus iki individualios dalelės, galima visai naujai atkurti jos savybes. Projektą tikimasi užbaigti iki 2019 metų gruodžio 31-osios.

Daugiau nei 100 gama spinduliavimo teleskopų CTA koncepcija, galinti matuoti platų dalelių energijų diapazoną ir netgi jų kilmės vietą. CTA gali padėti suprasti, iš kur randasi tokių didelių energijų dalelės.
Daugiau nei 100 gama spinduliavimo teleskopų CTA koncepcija, galinti matuoti platų dalelių energijų diapazoną ir netgi jų kilmės vietą. CTA gali padėti suprasti, iš kur randasi tokių didelių energijų dalelės.
© G. Pérez, IAC

Daug gama spindulių observatorijų veikia ir kaip Čerenkovo teleskopai, pateikdami šių Žemę bombarduojančių energingų dalelių „atmosferinį vaizdą“. Tokios observatorijos kaip H.E.S.S., MAGIC ir VERITAS pateikė šių aukštos energijos dalelių šaltinių vietas ir energijas.

Čerenkovo teleskopų masyvas reikš įspūdingą pažangą. Masyvą turėtų sudaryti 118 teleskopų antenų: 19 šiauriniame pusrutulyje (skirti žemesnėms energijoms ir užgalaktiniams šaltiniams), ir 99 pietiniame pusrutulyje, nagrinėsiančių visą energijų spektrą (20GeV – 300GeV) ir šaltinius mūsų galaktikoje. Daugiausiai antenų bus sumontuota Atakamos dykumoje Čilėje, Europos kosmoso organizacijos stebėjimų vietoje Paranal–Armazones.

VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) gama spindulių teleskopai naudojami matuoti aukštos energijos kosminio spindulių atmosferoje sukeltą Čerenkovo spinduliavimą. Kai šios dalelės juda didesniu nei šviesos greičiu terpėje – Žemės atmosferoje, – neišvengiamai randasi radiacija.
VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) gama spindulių teleskopai naudojami matuoti aukštos energijos kosminio spindulių atmosferoje sukeltą Čerenkovo spinduliavimą. Kai šios dalelės juda didesniu nei šviesos greičiu terpėje – Žemės atmosferoje, – neišvengiamai randasi radiacija.
© 2011 The VERITAS Collaboration

Tai nėra vienintelis kosminių spindulių matavimo mechanizmas, nes atsitrenkdami į Žemės atmosferos daleles, jie sukuria naujas daleles. Šios „dalelių lietaus“ kaskados gali pasiekti Žemės paviršių, kur jas užfiksuoja dalelių observatorijos, dažnai papildančios Čerenkovo spinduliavimo observatorijas.

Bet Čerenkovo teleskopai gali pateikti tai, ko dalelių fiksavimo metodai negali: matuojant vos dalį Žemę pasiekiančio spinduliavimo, galima tiksliai atkurti pradinių dalelių energiją ir trajektoriją. Norint tai atlikti su dalelių detektoriais, tektų surinkti ir tiksliai išmatuoti 100% „dalelių lietaus“ sukurtų dalelių energiją ir momentą. Tai nepasiekiama ambicija netgi pasaulinės klasės kosminio spinduliavimo detektoriams, pavyzdžiui, Pierre Auger Observatory.

Energingų astrofizikinių įvykių kuriami kosminiai spinduliai gali pasiekti Žemės paviršių. Su Žemės atmosferos dalele susidūrusi kosminio spinduliavimo dalelė sukelia dalelių lietų, kurį gali užfiksuoti antžeminiai jutiklių masyvai, bet net ir be dalelių lietaus kils Čerenkovo spinduliavimas.
Energingų astrofizikinių įvykių kuriami kosminiai spinduliai gali pasiekti Žemės paviršių. Su Žemės atmosferos dalele susidūrusi kosminio spinduliavimo dalelė sukelia dalelių lietų, kurį gali užfiksuoti antžeminiai jutiklių masyvai, bet net ir be dalelių lietaus kils Čerenkovo spinduliavimas.
© ASPERA collaboration / AStroParticle ERAnet

Dar būtų galima kosminius spindulius gaudyti, jiems dar nepasiekus Žemės; tereikia pakilti į kosmosą. Bet netgi šiuo atveju stebėjimus ribotų jutiklių jautrumas ir kiek energijos jame būtų galima sutalpinti. Be to, kosminės kelionės yra labai brangus malonumas; Fermi gama spindulių teleskopas, fiksuojantis atskirus aukštos energijos fotonus, o ne pačius kosminius spindulius, kainuoja apie $690 milijonų, daugiau nei dvigubai brangiau už visą Čerenkovo teleskopų masyvą.

Vietoje to, daugiau nei 100 pasaulio vietų gaudydami į atmosferą įlėkusių kosminių spindulių sukeltas daleles ir spindulius, galime suprasti šių ultrareliatyvistinų dalelių kilmę ir jas sukūrusių astrofizikinių reiškinių savybes. Visa tai įmanoma, nes suprantame greičiau už šviesą Žemės atmosferoje skriejančių dalelių savybes ir fiziką. Einšteino dėsniai gal ie nesulaužomi, tačiau sulėtėjus šviesai, galime gudriai aptikti  galime tai, ko negalėtume išmatuoti kitaip!

Ethan Siegel
www.forbes.com

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(19)
(1)
(18)

Komentarai ()

Visi šio ciklo įrašai