stringtranslate.com

Астрофизика частиц

Астрофизика частиц , также называемая астрофизикой частиц , является разделом физики частиц , который изучает элементарные частицы астрофизического происхождения и их связь с астрофизикой и космологией . Это относительно новая область исследований, возникающая на стыке физики частиц, астрономии , астрофизики, физики детекторов , теории относительности , физики твердого тела и космологии . Частично мотивированная открытием нейтринных осцилляций , эта область претерпела быстрое развитие, как теоретически, так и экспериментально, с начала 2000-х годов. [1]

История

Область астрофизики частиц развилась из оптической астрономии. С развитием технологии детекторов появилась более зрелая астрофизика, которая включала в себя несколько подтем физики, таких как механика , электродинамика , термодинамика , физика плазмы , ядерная физика , теория относительности и физика элементарных частиц . Физики частиц посчитали астрофизику необходимой из-за сложности получения частиц с энергией, сопоставимой с той, что находится в космосе. Например, спектр космических лучей содержит частицы с энергией до 10 20  эВ , где столкновение протона с протоном на Большом адронном коллайдере происходит при энергии ~ 10 12  эВ.

Можно сказать, что эта область началась в 1910 году , когда немецкий физик Теодор Вульф измерил ионизацию воздуха, индикатор гамма-излучения, у подножия и наверху Эйфелевой башни . Он обнаружил, что наверху ионизация была гораздо сильнее, чем ожидалось, если бы только земные источники приписывались этому излучению. [2]

Австрийский физик Виктор Франц Гесс выдвинул гипотезу, что часть ионизации была вызвана излучением с неба. Чтобы защитить эту гипотезу, Гесс сконструировал приборы, способные работать на больших высотах, и провел наблюдения за ионизацией до высоты 5,3 км. С 1911 по 1913 год Гесс совершил десять полетов, чтобы тщательно измерить уровни ионизации. Благодаря предыдущим расчетам он не ожидал, что будет какая-либо ионизация выше высоты 500 м, если земные источники были единственной причиной излучения. Однако его измерения показали, что хотя уровни ионизации изначально уменьшались с высотой, в какой-то момент они начали резко расти. На пиках своих полетов он обнаружил, что уровни ионизации были намного выше, чем на поверхности. Затем Гесс смог сделать вывод, что «излучение очень высокой проникающей способности проникает в нашу атмосферу сверху». Более того, один из полетов Гесса был во время почти полного солнечного затмения. Поскольку он не наблюдал падения уровня ионизации, Гесс предположил, что источник должен быть дальше в космосе. За это открытие Гесс был одним из тех, кто был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году. В 1925 году Роберт Милликен подтвердил выводы Гесса и впоследствии ввел термин « космические лучи ». [3]

Многие физики, знающие об истоках области астрофизики частиц, предпочитают считать это «открытие» космических лучей Гессом отправной точкой этой области. [4]

Темы исследований

Хотя может быть трудно определиться со стандартным «учебным» описанием области физики астрочастиц, эта область может быть охарактеризована темами исследований, которые активно изучаются. Журнал Astroparticle Physics принимает статьи, которые сосредоточены на новых разработках в следующих областях: [5]

Открытые вопросы

Одной из главных задач для будущего этой области является просто тщательное самоопределение за пределами рабочих определений и четкое отделение ее от астрофизики и других смежных тем. [4]

Текущие нерешенные проблемы в области астрофизики частиц включают характеристику темной материи и темной энергии . Наблюдения за орбитальными скоростями звезд в Млечном Пути и других галактиках, начиная с Вальтера Бааде и Фрица Цвикки в 1930-х годах, наряду с наблюдаемыми скоростями галактик в галактических скоплениях, обнаружили движение, значительно превышающее плотность энергии видимой материи, необходимую для учета их динамики. С начала девяностых годов были найдены некоторые кандидаты, частично объясняющие часть недостающей темной материи, но они далеки от того, чтобы предложить полное объяснение. Обнаружение ускоряющейся Вселенной предполагает, что большая часть недостающей темной материи хранится в виде темной энергии в динамическом вакууме. [6]

Другой вопрос для физиков-астрочастиц: почему сегодня во Вселенной так много материи, чем антиматерии? Бариогенезис — это термин для гипотетических процессов, которые создали неравное количество барионов и антибарионов в ранней Вселенной, поэтому сегодня Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии. [6]

Экспериментальные установки

Быстрое развитие этой области привело к разработке новых типов инфраструктуры. В подземных лабораториях или с помощью специально разработанных телескопов, антенн и спутниковых экспериментов физики-астрофизики используют новые методы обнаружения для наблюдения за широким спектром космических частиц, включая нейтрино, гамма-лучи и космические лучи при самых высоких энергиях. Они также ищут темную материю и гравитационные волны . Физики-экспериментаторы по частицам ограничены технологией своих наземных ускорителей, которые способны производить лишь малую часть энергий, встречающихся в природе.

Ниже приведен неполный список лабораторий и экспериментов в области астрофизики.

Подземные лаборатории

Эти объекты расположены глубоко под землей, чтобы защитить очень чувствительные эксперименты от космических лучей , которые в противном случае помешали бы наблюдению за очень редкими явлениями.

Детекторы нейтрино

Для регистрации крайне редких взаимодействий нейтрино с атомной материей требуются очень большие детекторы нейтрино .

Детекторы темной материи

Эксперименты направлены на прямое обнаружение взаимодействия темной материи с материалом мишени детектора.

Обсерватории космических лучей

Заинтересованы в обнаружении высокоэнергетических космических лучей:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Де Анджелис, Алессандро; Пимента, Марио (2018). Введение в физику элементарных частиц и астрофизику элементарных частиц (многоканальная астрономия и ее основы физики элементарных частиц) . Springer. doi :10.1007/978-3-319-78181-5. ISBN 978-3-319-78181-5.
  2. ^ Longair, MS (1981). Астрофизика высоких энергий . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press . стр. 11. ISBN 978-0-521-23513-6.
  3. ^ "17 апреля 1912 года: полет Виктора Гесса на воздушном шаре во время полного затмения для измерения космических лучей" . Получено 18 сентября 2013 г.
  4. ^ ab Cirkel-Bartelt, Vanessa (2008). "История астрофизики частиц и ее компоненты". Living Reviews in Relativity . 11 (2): 7. Bibcode : 2008LRR....11....7F. doi : 10.12942 / lrr-2008-7 . PMC 5256108. PMID  28179823. Получено 23 января 2013 г. 
  5. ^ Астрофизика частиц . Получено 2013-09-18 .
  6. ^ аб Групен, Клаус (2005). Астрофизика частиц . Спрингер. ISBN 978-3-540-25312-9.
  7. ^ "IceCube - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY". Архивировано из оригинала 2013-01-23 . Получено 2013-01-24 .
  8. ^ http://borex.lngs.infn.it Архивировано 23 июля 2012 г. на Wayback Machine
  9. ^ "Home". Архивировано из оригинала 2013-05-06 . Получено 2013-04-29 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Астрофизика частиц» .