О Боже, частица

Космические лучи сверхвысокой энергии, обнаруженные в 1991 году

Частица Oh-My-God была космическим лучом сверхвысокой энергии, обнаруженным 15 октября 1991 года камерой Fly's Eye на испытательном полигоне Дагуэй , штат Юта , США . ^{[1] [2] [3]} По состоянию на 2024 год ^{[обновлять]}это космический луч с самой высокой энергией, когда-либо наблюдавшийся. ^[4] Его энергия была оценена как(3,2 ± 0,9) × 10 ²⁰  эВ (320 экза -эВ). Энергия частицы оказалась неожиданной и поставила под сомнение господствующие теории о происхождении и распространении космических лучей.

Скорость

Неизвестно, какой это был тип частицы , но большинство космических лучей — протоны. Если — масса покоя частицы, а — ее кинетическая энергия (энергия, превышающая энергию массы покоя ), то ее скорость была в раз больше скорости света . Если предположить, что это был протон, для которого — 938 МэВ, это означает, что он двигался со скоростью ${\displaystyle m_{\mathrm {p} }}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {K} }}$ ${\textstyle {\sqrt {1-[m_{\mathrm {p} }c^{2}/(E_{\mathrm {K} }+m_{\mathrm {p} }c^{2})]^{2}}}}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {p} }c^{2}}$0,999 999 999 999 999 999 999 9951 раз больше скорости света, ее фактор Лоренца был равен3,2 × 10 ¹¹ и его скорость была27.1 . Из-за специальной теории относительности релятивистское замедление времени, испытываемое протоном, движущимся с такой скоростью, было бы экстремальным. Если бы протон возник на расстоянии 1,5 миллиарда световых лет, то в системе отсчета протона ему потребовалось бы приблизительно 1,71 дня, чтобы преодолеть это расстояние.

Энергия столкновения

Энергия частицы была примерно в 40 миллионов раз больше, чем у самых высокоэнергетических протонов, которые были получены в любом земном ускорителе частиц . Однако, только небольшая часть этой энергии была доступна для ее взаимодействия с ядром в атмосфере Земли, причем большая часть энергии оставалась в форме кинетической энергии центра масс продуктов взаимодействия. Если - масса "целевого" ядра, то энергия, доступная для такого столкновения, равна ^[5] ${\displaystyle m_{\mathrm {t} }}$

$${\displaystyle {\sqrt {2E_{\mathrm {K} }m_{\mathrm {t} }c^{2}+(m_{\mathrm {p} }+m_{\mathrm {t} })^{2}c^{4}}}-(m_{\mathrm {p} }+m_{\mathrm {t} })c^{2}}$$

что для больших приблизительно равно ${\displaystyle E_{\mathrm {K} }}$

$${\displaystyle {\sqrt {2E_{\mathrm {K} }m_{\mathrm {t} }c^{2}}}.}$$

Для частицы Oh-My-God, сталкивающейся с ядром азота , это дает 2900 ТэВ, что примерно в 200 раз выше самой высокой энергии столкновения Большого адронного коллайдера , в котором сталкиваются две частицы высокой энергии, движущиеся в противоположных направлениях. ^{[6] [7]} В системе отсчета центра масс (которая двигалась почти со скоростью света в нашей системе отсчета) продукты столкновения, таким образом, имели бы около 2900 ТэВ энергии, достаточной для преобразования ядра во множество частиц, разлетающихся почти со скоростью света даже в этой системе отсчета центра масс. Как и в случае с другими космическими лучами, это породило каскад релятивистских частиц, поскольку частицы взаимодействовали с другими ядрами.

Сравнения

Энергия частицы Oh -My-God была оценена как(3,2 ± 0,9) × 10 ²⁰  эВ , или51 ± 14  Дж . Хотя это количество феноменально велико для одной элементарной частицы — намного превосходя самую высокую энергию, которую человеческие технологии могут генерировать в частице — оно все еще намного ниже уровня шкалы Планка , где ожидается экзотическая физика. Хотя это субатомная частица , ее энергия была сопоставима с гравитационной потенциальной энергией объекта весом в 1  килограмм , который может упасть с высоты 5  метров с двухэтажного здания.

У частицы «О Боже» было 10²⁰ (100  квинтиллионов ) раз больше энергии фотона видимого света, что эквивалентно 140-граммовому (5 унций) бейсбольному мячу , летящему со скоростью около 28 м/с (100 км/ч; 63 мили/ч). Его энергия была в 20 миллионов раз больше, чем самая высокая энергия фотона, измеренная в электромагнитном излучении , испускаемом внегалактическим объектом, блазаром Маркарян 501. [ ^{8] [ требуется обновление ]}

Высокая энергия, но гораздо ниже масштаба Планка

Хотя энергия частицы была выше, чем та, что была достигнута в земных ускорителях, она все еще была примерно в 40 миллионов раз ниже энергии Планка (1,220 8901 × 10 ²⁸  эВ ). Частицы такой энергии потребуются для того, чтобы выявить эффекты в масштабах Планка . Протон с такой энергией будет перемещатьсяВ 1,665 × 10 ¹⁵ раз ближе к скорости света, чем частица Oh-My-God. Если смотреть с Земли и наблюдать в земной системе отсчета, это займет около3,579 × 10 ²⁰  лет (2,59 × 10 ¹⁰  раз больше текущего возраста Вселенной ) для того, чтобы фотон обогнал протон с планковской энергией с опережением в 1 см. ^{[ необходима цитата ]}

Более поздние подобные события

С момента первого наблюдения произошли сотни подобных событий (энергетических5,7 × 10 ¹⁹  эВ или более) были зарегистрированы, что подтверждает это явление. ^{[9] [10]} Эти частицы космических лучей сверхвысокой энергии встречаются очень редко; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10⁷  эВ и 10¹⁰  эВ.

Более поздние исследования с использованием проекта Telescope Array показали, что источником частиц является «теплое пятно» радиусом 20 градусов в направлении созвездия Большой Медведицы . ^{[3] [10] [11]}

Частица Аматэрасу , названная в честь богини солнца в японской мифологии, была обнаружена в 2021 году и позднее идентифицирована в 2023 году с помощью обсерватории Telescope Array в штате Юта, США. Она имела энергию, превышающую 240 эксаэлектрон-вольт (2,4 × 10 ²⁰ эВ). ^[12] Эта частица, по-видимому, возникла из Местной пустоты , пустой области пространства, граничащей с галактикой Млечный Путь . ^[13] Она содержала количество энергии, сравнимое с падением кирпича с высоты талии. Не было обнаружено ни одного перспективного астрономического объекта, соответствующего направлению, с которого пришел космический луч. ^[14]

Смотрите также

• Предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина  – теоретический верхний предел энергии протонов космических лучей
• Скопление Большой Медведицы  – Скопление галактик Сверхскопления Девы
• Ион HZE  – Высокоэнергетические, тяжелые ионы космического происхождения
• Солнечные энергичные частицы  – высокоэнергетические частицы от Солнца.
• Частица Аматэрасу (2021) – 240 Ээв

Ссылки

1. Bird, DJ; Corbato, SC; Dai, HY; Elbert, JW; Green, KD; Huang, MA; Kieda, DB; Ko, S.; Larsen, CG; Loh, EC; Luo, MZ; Salamon, MH; Smith, JD; Sokolsky, P.; Sommers, P.; Tang, JKK; Thomas, SB (март 1995 г.). "Обнаружение космического луча с измеренной энергией, выходящей далеко за пределы ожидаемого спектрального обрезания из-за космического микроволнового излучения". The Astrophysical Journal . 441 : 144. arXiv : astro-ph/9410067 . Bibcode :1995ApJ...441..144B. doi : 10.1086/175344 . S2CID  119092012.
2. "HiRes – Обсерватория космических лучей сверхвысокой энергии Fly's Eye с высоким разрешением". H i R es / High Resolution Fly's Eye . Университет Юты . Самая высокоэнергетическая частица из когда-либо зарегистрированных. Архивировано из оригинала 15 августа 2009 г. Получено 6 февраля 2024 г.
3. Wolchover, Natalie (14 мая 2015 г.). «Частица, которая сломала космический предел скорости». Журнал Quanta . ISSN  2640-2661. Архивировано из оригинала 8 июля 2023 г. Получено 6 февраля 2024 г.
4. О'Каллаган, Джонатан (30 мая 2023 г.). «Мы наконец-то приближаемся к космическому происхождению „OMG-частицы“» . New Scientist . Архивировано из оригинала 9 июня 2023 г. Получено 8 июня 2023 г.
5. Холмс С., Мур Р., Пиплз Дж., Шильцев В. (29 мая 2014 г.). "Глава 1. Введение". В Лебедев В., Шильцев В. (ред.). Физика ускорителей на коллайдере Теватрон. Ускорение и обнаружение частиц. Springer. стр. 1. doi :10.1007/978-1-4939-0885-1. ISBN 9781493908851. Получено 6 февраля 2024 г. через Google Книги.
6. Джоветт, Джон (ноябрь 2015 г.). «Столкновения ионов свинца: LHC достигает нового энергетического рекорда». Бюллетень ЦЕРН . Архивировано из оригинала 26 августа 2023 г. Получено 24 февраля 2016 г.
7. Нерлих, Стив (13 июня 2011 г.). «Oh-My-God parts». Universe Today . Архивировано из оригинала 30 июня 2019 г. Получено 30 июня 2019 г. – через phys.org.
8. Ааронян, Ф.; и др. (Сотрудничество HEGRA) (1999). «Усредненный по времени энергетический спектр ТэВ Mkn 501 необычайной вспышки 1997 года, измеренный с помощью стереоскопической черенковской телескопической системы HEGRA» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 349 : 11–28. arXiv : astro-ph/9903386v2 . Bibcode :1999A&A...349...11A. S2CID  15448541. Архивировано (PDF) из оригинала 19 июня 2023 г. . Получено 19 июня 2023 г. .
9. Абдул Халим, А.; Абреу, П.; Аглиетта, М.; Аллекотте, И.; Эллисон, П.; Алмейда Чеминант, К.; Алмела, А.; Альварес-Муньис, Х.; Аммерман Йебра, Х.; Анастази, ГА; Анчордоки, Л.; Андрада, Б.; Андринга, С.; Арамо, К.; Араужо Феррейра, П. Р. (1 февраля 2023 г.). «Каталог космических лучей с самой высокой энергией, зарегистрированных во время первой фазы работы обсерватории Пьера Оже». Серия приложений к астрофизическому журналу . 264 (2): 50. Bibcode : 2023ApJS..264...50A. doi : 10.3847/1538-4365/aca537 . hdl : 2133/25771 . ISSN  0067-0049. S2CID  254070054.
10. Abbasi, RU; Abe, M.; Abu-Zayyad, T.; Allen, M.; Anderson, R.; et al. (14 июля 2014 г.). «Признаки анизотропии промежуточного масштаба космических лучей с энергией более 57 ЭэВ в северном небе, измеренные с помощью поверхностного детектора эксперимента Telescope Array». The Astrophysical Journal . 790 (2): L21. arXiv : 1404.5890 . Bibcode :2014ApJ...790L..21A. doi :10.1088/2041-8205/790/2/L21. eISSN  1538-4357. ISSN  0004-637X. S2CID  118481211.
11. Чо, Адриан (8 июля 2014 г.). «Физики обнаружили потенциальный источник частиц „Oh-My-God“». Science . doi :10.1126/article.22871 (неактивен 12 сентября 2024 г.). eISSN  1095-9203. ISSN  0036-8075. Архивировано из оригинала 12 апреля 2022 г. . Получено 30 июня 2022 г. .{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of September 2024 (link)
12. Коновер, Эмили (13 января 2024 г.). «Высокоэнергетический космический луч исходит из пустоты». Science News : 5.
13. Девлин, Ханна (24 ноября 2023 г.). «'Что за чертовщина происходит?' Обнаружена падение на Землю чрезвычайно высокоэнергетической частицы». The Guardian . Архивировано из оригинала 24 ноября 2023 г. . Получено 6 февраля 2024 г. .
14. "Вторая частица космических лучей OMG снова ломает физику". Cosmosmagazine.com . 24 ноября 2023 г. Архивировано из оригинала 24 ноября 2023 г. Получено 24 ноября 2023 г.