Предел Грейзена – Зацепина – Кузмина

редактировать

Теоретический верхний предел по энергии протонов космических лучей

Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина (Предел ГЗК ) является теоретическим верхним пределом энергии космических лучей. протоны, путешествующие из других галактик через межгалактическую среду в нашу галактику. Предел составляет 5 × 10 эВ (50 ээВ) или около 8 джоулей (энергия протона, движущегося со скоростью ≈99,99999999999999999998% от скорости света). Предел устанавливается замедлением взаимодействия протонов с микроволновым фоновым излучением на больших расстояниях (≈160 миллионов световых лет). Предел имеет тот же порядок величины, что и верхний предел энергии, при которой космические лучи были обнаружены экспериментально. Например, один космический луч с экстремальной энергией, частица Oh-My-God, которая, как было обнаружено, обладает рекордной энергией 3,12 × 10 эВ (50 джоулей). (примерно такая же, как кинетическая энергия бейсбольного мяча со скоростью 95 км / ч).

Предел GZK получен в предположении, что космические лучи сверхвысокой энергии являются протонами. Измерения крупнейшей обсерватории космических лучей Обсерватория Пьера Оже показывают, что большинство космических лучей сверхвысоких энергий являются более тяжелыми элементами. В этом случае аргумент, лежащий в основе предела ГЗК, неприменим в первоначально простой форме, и нет фундаментального противоречия в наблюдении космических лучей с энергиями, выходящими за пределы этого предела.

В прошлом очевидное нарушение предела GZK вдохновляло космологов и физиков-теоретиков предлагать другие способы обойти этот предел. Эти теории предполагают, что космические лучи сверхвысокой энергии образуются рядом с нашей галактикой или что ковариация Лоренца нарушается таким образом, что протоны не теряют энергию на своем пути к нашей галактике.

Содержание

1 Вычисления
2 Парадокс космических лучей
- 2.1 Слабо взаимодействующие частицы
- 2.2 Другие теории
3 Споры о космических лучах, превышающих предел GZK
- 3.1 Космическая обсерватория Extreme Universe на японском экспериментальном модуле (JEM-EUSO)
- 3.2 Космический гамма-телескоп Ферми для устранения несоответствий
4 Возможные источники КЛЛВЭ
5 См. также
6 Ссылки
7 Внешние ссылки

Вычисление

Предел был независимо вычислен в 1966 году Кеннетом Грейзеном, Георгием Зацепином и Вадимом Кузьминым на основе взаимодействий между космические лучи и фотоны космического микроволнового фонового излучения (CMB). Они предсказали, что космические лучи с энергией выше пороговой энергии 5 × 10 эВ будут взаимодействовать с космическими микроволновыми фоновыми фотонами $γ CMB {\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {CMB}}}$ $\ gamma _ {\ rm {CMB}}$ , относительно смещенный в синюю сторону на скорость космических лучей, чтобы произвести пионы через $Δ {\ displaystyle \ Delta}$ $\ Delta$ резонанс,

γ CMB + p → Δ + → p + π 0, {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {CMB}} + p \ to \ Delta ^ {+} \ to p + \ pi ^ {0},}

{\ displaystyle \ gamma _ {\ text {CMB}} + p \ to \ Delta ^ {+} \ to p + \ pi ^ {0},}

или

γ CMB + p → Δ + → n + π +. {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {CMB}} + p \ to \ Delta ^ {+} \ to n + \ pi ^ {+}.}

{\ displaystyle \ gamma _ { \ text {CMB}} + p \ to \ Delta ^ {+} \ to n + \ pi ^ {+}.}

Пионы, полученные таким образом, распадаются в стандартных пионных каналах - в конечном итоге к фотонам для нейтральных пионов и фотонам, позитронам и различным нейтрино для положительных пионов. Нейтроны также распадаются на аналогичные продукты, так что в конечном итоге энергия любого протона космических лучей истощается за счет образования фотонов высокой энергии плюс (в некоторых случаях) электрон-позитронные пары высокой энергии и пары нейтрино.

Процесс образования пионов начинается при более высокой энергии, чем образование обычных электрон-позитронных пар (производство лептонов) протонами, ударяющими по реликтовому излучению, которое начинается при энергии протонов космических лучей всего около 10 эВ. Однако события рождения пионов поглощают 20% энергии протона космических лучей по сравнению с 0,1% его энергии на образование электрон-позитронных пар. Этот множитель 200 получен из двух источников: масса пиона только в ~ 130 раз превышает массу лептонов, но дополнительная энергия проявляется в виде различных кинетических энергий пиона или лептонов и приводит к относительно большей кинетической энергии, передаваемой более тяжелому продукту пиону., чтобы сохранить импульс. Гораздо большие общие потери энергии от образования пионов приводят к тому, что процесс образования пионов становится ограничивающим для путешествия космических лучей с высокой энергией, а не с процессом производства легких лептонов с более низкой энергией.

Процесс образования пионов продолжается до тех пор, пока энергия космических лучей не упадет ниже порога образования пионов. Из-за среднего пути, связанного с этим взаимодействием, внегалактические космические лучи, путешествующие на расстояниях более 50 Мпк (163 Mly ) и с энергиями, превышающими этот порог, никогда не должны наблюдаться на Земле. Это расстояние также известно как горизонт ГЗК.

Парадокс космических лучей

Нерешенная проблема в физике :. Почему некоторые космические лучи, кажется, обладают энергией, которые теоретически слишком высоки, учитывая, что невозможно -Земные источники, и что лучи от далеких источников должны были рассеиваться космическим микроволновым фоновым излучением ?(более нерешенные проблемы в физике)

Был проведен ряд наблюдений в ходе крупнейших экспериментов с космическими лучами Akeno Giant Air Shower Array, Детектор космических лучей Fly's Eye с высоким разрешением, Обсерватория Пьера Оже и Telescope Array Project, которые, казалось, показали космические лучи с энергиями выше этого предела (так называемые космические лучи с экстремальной энергией или EECR). Наблюдение этих частиц было так называемым парадоксом ГЗК или парадоксом космических лучей .

Эти наблюдения, по-видимому, противоречат предсказаниям специальной теории относительности и частиц. физика в их нынешнем понимании. Однако существует ряд возможных объяснений этих наблюдений, которые могут разрешить это несоответствие.

Наблюдения могли быть связаны с ошибкой прибора или неправильной интерпретацией эксперимента, особенно с неправильным присвоением энергии.
Космические лучи могли иметь локальные источники в пределах горизонта ГЗК (хотя неясно, что это за

Слабо взаимодействующие частицы

Другое предположение касается слабовзаимодействующих частиц сверхвысокой энергии (например, нейтрино ), которые могут быть созданы на больших расстояниях, а затем реагируют локально, давая начало наблюдаемым частицам. В предложенной модели Z-всплеска космическое нейтрино сверхвысокой энергии сталкивается с реликтовым антинейтрино в нашей галактике и аннигилирует с адронами. Этот процесс происходит через (виртуальный) Z-бозон:

ν + ν ¯ → Z → адроны. {\ displaystyle \ nu + {\ bar {\ nu}} \ to Z \ to {\ text {адроны}}.}

{\ displaystyle \ nu + {\ bar {\ nu}} \ to Z \ to {\ text {адроны}}.}

Поперечное сечение этого процесса становится большим, если энергия центра масс пара нейтрино и антинейтрино равна массе Z-бозона (такой пик в сечении называется «резонансным»). Если предположить, что реликтовое антинейтрино покоится, энергия падающего космического нейтрино должна быть

E = m Z 2 2 m ν = 4,2 × 10 21 (эВ m ν) эВ, {\ displaystyle E = { \ frac {m_ {Z} ^ {2}} {2m _ {\ nu}}} = 4,2 \ times 10 ^ {21} \ left ({\ frac {\ text {eV}} {m _ {\ nu}}} \ right) ~ {\ text {eV}},}

{\ displaystyle E = {\ frac {m_ {Z} ^ {2}} {2m_ { \ nu}}} = 4,2 \ times 10 ^ {21} \ left ({\ frac {\ text {eV}} {m _ {\ nu}}} \ right) ~ {\ text {eV}},}

где $m Z {\ displaystyle m_ {Z}}$ ${\ displaystyle m_ {Z}}$ - масса Z-бозона, а $m ν {\ displaystyle m _ {\ nu}}$ $m _ {\ nu}$ масса нейтрино.

Другие теории

Для объяснения наблюдений AGASA был выдвинут ряд экзотических теорий, включая двойную специальную теорию относительности. Однако теперь установлено, что стандартная двойная специальная теория относительности не предсказывает какого-либо подавления GZK (или обрезания GZK), в отличие от моделей нарушения симметрии Лоренца, включающих систему абсолютного покоя. Другие возможные теории включают связь с темной материей, распады экзотических сверхтяжелых частиц сверх тех, которые известны в Стандартной модели.

Споры о космических лучах, превышающих предел GZK

Подавление потока космических лучей, которое можно объяснить пределом GZK, было подтверждено обсерваториями космических лучей последнего поколения. Предыдущее утверждение эксперимента AGASA об отсутствии подавления было отклонено. Остается спорным, вызвано ли подавление эффектом ГЗК. Предел GZK применяется только в том случае, если космические лучи сверхвысокой энергии состоят в основном из протонов.

В июле 2007 года, во время 30-й Международной конференции по космическим лучам в Мериде, Юкатан, Мексика, Эксперимент с глазом мухи с высоким разрешением (HiRes) и Обсерватория Пьера Оже (Оже) представили свои результаты по космическим лучам сверхвысоких энергий. HiRes наблюдал подавление в спектре КЛСВЭ как раз при правильной энергии, наблюдая только 13 событий с энергией выше порога, при этом ожидая 43 без подавления. Это было интерпретировано как первое наблюдение за пределом ГЗК. Оже подтвердил подавление потока, но не назвал его пределом ГЗК: вместо 30 событий, необходимых для подтверждения результатов AGASA, Оже увидел только два, которые считаются событиями с тяжелыми ядрами. Подавление потока ранее ставилось под сомнение, когда эксперимент AGASA не обнаружил подавления в их спектре. Согласно Алану Уотсону, пресс-секретарю Auger Collaboration, результаты AGASA оказались неверными, возможно, из-за систематического сдвига в распределении энергии.

В 2010 году и в последующие годы и обсерватория Пьера Оже, и HiRes снова подтвердили подавление потока, в случае обсерватории Пьера Оже эффект статистически значим на уровне 20 стандартных отклонений.

После того, как было установлено подавление потока, разгорелись жаркие споры о том, являются ли космические лучи, нарушающие предел ГЗК, протонами. Обсерватория Пьера Оже, крупнейшая в мире обсерватория, с высокой статистической значимостью обнаружила, что космические лучи сверхвысокой энергии - это не просто протоны, а смесь элементов, которая становится все тяжелее с увеличением энергии. Telescope Array Project, совместная работа участников коллабораций HiRes и AGASA, согласуется с предыдущим результатом HiRes о том, что эти космические лучи выглядят как протоны. Однако это утверждение основано на данных с более низкой статистической значимостью. Площадь, покрываемая массивом телескопов, составляет около одной трети площади, покрытой обсерваторией Пьера Оже, и последняя работает уже давно.

Споры были частично разрешены в 2017 году, когда совместная рабочая группа, сформированная участниками обоих экспериментов, представила отчет на 35-й Международной конференции по космическим лучам. Согласно отчету, необработанные экспериментальные результаты не противоречат друг другу. Различные интерпретации в основном основаны на использовании разных теоретических моделей (Telescope Array использует устаревшую модель для своей интерпретации) и на том факте, что Telescope Array еще не собрал достаточно событий, чтобы отличить гипотезу чистого протона от гипотезы смешанного ядра.

Космическая обсерватория Экстремальной Вселенной на японском экспериментальном модуле (JEM-EUSO)

EUSO, который планировалось запустить на Международной космической станции (МКС) в 2009 году, разработан для использования техники атмосферной- флуоресценции для мониторинга огромной площади и значительного увеличения статистики КЛСВЭ. EUSO должна сделать глубокий обзор вызванных КЛЛВЭ обширных атмосферных ливней (ШАЛ) из космоса, расширяя измеренный энергетический спектр далеко за пределы границы ГЗК. Он предназначен для поиска происхождения КЛСВЭ, определения природы происхождения КЛСВЭ, проведения обзора всего неба в направлении прибытия КЛСВЭ и попытки открыть астрономическое окно во Вселенную с экстремальными энергиями с нейтрино. Судьба обсерватории EUSO до сих пор неясна, поскольку НАСА рассматривает возможность досрочного вывода МКС на пенсию.

Космический гамма-телескоп Ферми для устранения несоответствий

Запущенный в июне 2008 года космический гамма-телескоп Ферми (бывший GLAST) также предоставит данные, которые позволят помочь разрешить эти несоответствия.

С помощью космического гамма-телескопа Ферми можно регистрировать гамма-лучи от только что ускоренных ядер космических лучей в месте их ускорения (источник КЛСВЭ).
Протоны КЛСВЭ, ускоренные ( см. также Центробежный механизм ускорения ) в астрофизических объектах производят вторичные электромагнитные каскады во время распространения в космическом микроволновом и инфракрасном фонах, одним из вкладов которых является процесс образования пионов GZK. Такие каскады могут составлять от 1% до 50% диффузного потока фотонов ГэВ – ТэВ, измеренного в эксперименте EGRET. Космический гамма-телескоп Ферми может обнаружить этот поток.

Возможные источники КЛУВЭ

В ноябре 2007 года исследователи из Обсерватории Пьера Оже объявили, что у них есть доказательства того, что КЛУВЭ происходят из активных ядер галактик (AGN) энергетических галактик, питаемых материей, вращающейся в сверхмассивной черной дыре. Космические лучи были обнаружены и прослежены до АЯГ с использованием каталога Верон-Сетти-Верон. Эти результаты опубликованы в журнале Science. Тем не менее, сила корреляции с AGN из этого конкретного каталога для данных Оже, зарегистрированных после 2007 года, медленно уменьшается.

См. Также

Космические лучи сверхвысокой энергии - космический- лучистая частица с кинетической энергией более 10 эВ

Ссылки

Внешние ссылки