Cząstka O-mój-Boże.
-
Upload
piotr-pastusiak -
Category
Documents
-
view
218 -
download
4
description
Transcript of Cząstka O-mój-Boże.
Cząstka O-mój-Boże. Piotr Pastusiak
Jak wiadomo „pusta” przestrzeń kosmiczna wypełniona jest ogromną liczbą wysokoenerge-
tycznych cząstek, zwykle fotonów, neutrin, elektronów i protonów, które nieustannie bombardują
górne warstwy atmosfery. Znacząca część tych cząstek pochodzi ze Słońca i jest składnikiem wiatru
słonecznego, który jest nieustająco emitowany przez naszą gwiazdę. W skład wiatru słonecznego
wchodzą przede wszystkim elektrony o energii 500eV oraz protony o energiach rzędu 1GeV. Natę-
żenie wiatru słonecznego jest zmienne i jest funkcją 11-sto letniej cyklicznej zmienności aktywności
Słońca. W okresach maksimum aktywności słonecznej strumień wiatru słonecznego jest większy niż
w okresach spokoju. Jako ciekawostkę można przytoczyć fakt, że średnio Słońce traci milion ton
swojej masy na sekundę w wyniku emisji wiatru słonecznego oraz to, że prędkość cząstek wynosi od
200 do 900 km/s. Wiatr słoneczny jest szczególnie groźny podczas koronalnych wyrzutów masy
(CME) skierowanych w kierunku naszej planety, kiedy to wybuchy na powierzchni Słońca wyrzucają
strumień wysokoenergetycznych elektronów i protonów w przestrzeń międzyplanetarną. Zjawiska te
są niebezpieczne. Mogą wywoływać awarię systemów łączności, systemów energetycznych oraz mieć
niekorzystny wpływ na organizmy żywe . Na szczęście Ziemia chroniona jest tarczą pola magnetycz-
nego i większość cząstek nie dociera do powierzchni ale jest kierowana na obszary podbiegunowe
gdzie wywołują zjawisko zorzy polarnej. Niemniej konieczne jest ciągłe monitorowanie aktywności
słonecznej zwłaszcza, gdy na orbicie znajdują się astronauci, dla których konsekwencje wywołane
wiatrem słonecznym mogą być niebezpieczne.
Koronalny wyrzut masy z 31 sierpnia 2012 roku.
(NASA Goddard Space Flight Center)
Zorza polarna obserwowana w Norwegii. Kolory zorzy są wynikiem oddziaływania wysoko energetycznych protonów z
atomami tlenu i azotu w górnych warstwach atmosfery. (fot. Tiina Törmänen)
Wiatr słoneczny nie jest jednak jedynym
zjawiskiem przykuwającym uwagę naukow-
ców. Okazuje się, że oprócz cząsteczek po-
chodzących ze Słońca, Ziemia jest bombar-
dowana strumieniem cząstek bardzo i ultra
wysokich energii (VHE i UHE). Cząstki te
nazywamy promieniowaniem kosmicznym,
z ściślej pierwotnym promieniowaniem ko-
smicznym (PK). W jego skład wchodzą pro-
tony, cząstki alfa, jądra innych lekkich pier-
wiastków oraz bardzo niewielka ilość jąder
pierwiastków o średnich masach; obserwuje
się także pierwotne elektrony, fotony i zni-
komą ilość cząstek neutralnych. Ich energia
w porównaniu z wiatrem słonecznym jest
olbrzymia i jest rzędu 1-1012
GeV. Ze
względu na tak dużą energię źródłem tych cząstek nie może być Słońce. Spekuluje się, że źródłem
promieniowania UHE są aktywne jądra galaktyk i kwazarów, wybuch super i hipernowych czy roz-
błyski gamma (GRB). Dużą rolę w ich pochodzeniu może mieć mechanizm Fermiego w falach ude-
rzeniowych po wybuchach supernowych. Jednak na chwilę obecną geneza PK nie jest w pełni znana.
Pierwotne promieniowanie kosmiczne nie jest rejestrowane bezpośrednio. Rejestrowane są jego efekty
Galaktyka Centaurus A jest jednym z możliwych źródeł PK.
(fot. ESA)
oddziaływania z atomami zawartymi w atmosferze. Wysokoenergetyczna cząstka PK zderzając się z
atomem powoduje powstanie innych cząstek – głównie neutronów, mionów, pionów, neutrin i par e- -
e+
- tworzących w atmosferze tak zwany pęk atmos-
feryczny, którego cząsteczki docierające na po-
wierzchnię mogą być rejestrowane i poddawane
analizie.
Co ma wspólnego tytuł artykułu z promieniowaniem
kosmicznym? Otóż mianem cząstki O-mój-Boże
została określona cząsteczka UHE o największej do
tej pory zarejestrowanej energii. Cząsteczka ta, naj-
prawdopodobniej będąca protonem, została zareje-
strowana 15 października 1991 roku przez obserwa-
torium promieniowania kosmicznego Fly’s Eyes II
zlokalizowany niedaleko Salt Lake City. Jej energia
wynosiła1 co
w skali subatomowej jest energią gigantyczną. Dla
porównania największy akcelerator z jakiego mo-
żemy obecnie korzystać LHC w CERN pozwala na
rozpędzenie cząstki do energii 7TeV (1µJ), czyli 10
milionów razy mniejszej. Korzystając z tych danych obliczmy prędkość z jaką poruszała się ta cząst-
ka. Energia cząstki dana jest wzorem:
√
Wzór ten możemy łatwo zapisać jako:
0
21
mm
W celu obliczenia β wystarczy przekształcić ten wzór do postaci:
2
01m
m
1 Physical Review Letters, 22 November 1993
Korzystając z danych 2
0 938,27 /m MeV c oraz 14 23,2 10 /m MeV c dostajemy
2
0.9999999999999999999999957
Oznacza to, że cząstka O-mój-Boże poruszała się z prędkością 99,99999999999999999999957 pro-
centa prędkości światła. Relatywistyczna masa tej cząsteczki, choć była protonem wynosiła, jak łatwo
obliczyć:
16 13
25,7 10 10
Em kg g
c
Oznacza to, że relatywistyczna masa protonu UHE była porównywalna z masą najmniejszej znanej
bakterii Prochlorococcus3. Ciekawe jest też rozważenie relatywistycznego spowolnienia czasu. Czas
własny protonu (w układzie jego spoczynku) płynie o czynnik 2
1
1
wolniej niż dla obserwa-
tora zewnętrznego. Dla naszej cząstki spowolnienie czasu wzrasta o wartość 113,41 10 oznacza
to, że jeżeli podróżowalibyśmy razem z protonem to jedna nasza sekunda odpowiadałaby około 11000
lat dla obserwatora na Ziemi.
Czy cząstki pokroju protonu O-mój-Boże są ewenementem? Naukowcy twierdzą, że nie i ta-
kich a być może i bardziej energetycznych cząstek jest dużo tylko nie wszystkie trafiają w Ziemię czy
są rejestrowane. Udało się też zaobserwować cząstkę o energii ok. 20J. Oznacza to, że konieczne jest
wzmożenie badań nad PK UHE poprzez rozbudowę detektorów. Poznanie tych cząstek bliżej przy-
czyni się niewątpliwie do poznania mechanizmów rządzących we Wszechświecie.
2 Precyzyjne obliczenia wykonano na stronie WolframAlpha (http://www.wolframalpha.com)
3 Prochlorococcus, http://en.wikipedia.org/wiki/Prochlorococcus, 2014-02-14