Klucz do narodzin czasu - Akceleratory - W kosmosie

W kosmosie

Co to jest promieniowanie kosmiczne?

Ziemia jest stale bombardowana przez nadlatujące z przestrzeni kosmicznej cząstki, czyli tak zwane promieniowanie kosmiczne. Uderzają one w górne warstwy atmosfery, zapoczątkowując kaskady cząstek spadające na nas przez cały czas. Na całym świecie przez każdy metr kwadratowy powierzchni ziemi na poziomie morza przechodzi w każdej chwili kilkaset takich cząstek. Cząstki te stale przez nas przenikają, jednak jest to całkowicie niegroźne dla życia, ponieważ przed cząstkami, które mogłyby spowodować uszkodzenia natury biologicznej chroni nas atmosfera ziemska.

W skład promieniowania kosmicznego wchodzą różne cząstki, od pozbawionych masy spoczynkowej fotonów, przez neutrina, elektrony i protony do ciężkich jąder atomowych, jak jądra ołowiu.

Supernowa 1987A.

Obiekt w galaktyce NGC4261C będący prawdopodobnie czarną dziurą.

Źródła większości cząstek promieniowania kosmicznego docierających do ziemi są dobrze znane i obejmują Słońce, supernowe, gwiazdy neutronowe oraz czarne dziury. Wciąż jednak nie znamy pochodzenia cząstek o najwyższych energiach. Jedno tylko wydaje się pewne, że muszą pochodzić spoza naszej galaktyki.

Czego się możemy dowiedzieć badając promieniowanie kosmiczne?

Wszechświat przypomina gigantyczny akcelerator cząstek, rozpędzający cząstki do znacznie wyższych energii niż potrafimy osiągnąć w laboratoriach na Ziemi. Takie energie bardzo interesują fizyków. W istocie aż do lat pięćdziesiątych XX wieku większości najistotniejszych odkryć w fizyce cząstek dokonano badając promieniowanie kosmiczne.

Promieniowanie kosmiczne jest jednak nieprzewidywalne i wraz z powstaniem akceleratorów cząstek, większość badań w fizyce cząstek przeniosła się do takich laboratoriów, jak CERN. Niemniej w zakresie energii nieosiągalnych dla akceleratorów cząstek fizyka promieniowania kosmicznego wciąż odgrywa bardzo istotną rolę.

W dzisiejszych czasach najważniejszym celem badań nad promieniowaniem kosmicznym jest poznanie jego źródeł, mechanizmu przyspieszania cząstek kosmicznych oraz ich rozchodzenia się w galaktyce. Fizycy mają również nadzieję, że w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego o wysokiej energii mogą zostać odkryte nowe cząstki, takie, których wytworzenie wymaga zbyt wielkiej energii, aby było możliwe w akceleratorach w laboratorium. Badania nad promieniowaniem kosmicznym obejmują także analizę cząstek pochodzących z poszczególnych źródeł w celu zrozumienia, co zachodzi w ich wnętrzu.

W dzisiejszych czasach najważniejszym celem badań nad promieniowaniem kosmicznym jest poznanie jego źródeł, mechanizmu przyspieszania cząstek kosmicznych oraz ich rozchodzenia się w galaktyce. Fizycy mają również nadzieję, że w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego o wysokiej energii mogą zostać odkryte nowe cząstki, takie, których wytworzenie wymaga zbyt wielkiej energii, aby było możliwe w akceleratorach w laboratorium. Badania nad promieniowaniem kosmicznym obejmują także analizę cząstek pochodzących z poszczególnych źródeł w celu zrozumienia, co zachodzi w ich wnętrzu.

Kolejnym celem fizyki promieniowania kosmicznego jest próba zrozumienia faktu, że Wszechświat najpewniej zbudowany jest całkowicie z materii, niemal wcale nie zawiera zaś antymaterii. Zaledwie jeden atom czegoś w rodzaju antytlenu wykryty w promieniowaniu kosmicznym byłby dowodem na to, że w przestrzeni kosmicznej muszą istnieć wielkie obszary antymaterii, ponieważ do stworzenia pojedynczego antyatomu niezbędna byłaby antygwiazda. Jak dotąd nie znaleziono takich antyatomów i fizycy wierzą, że asymetria pomiędzy materią i antymaterią wynika z nieznacznej preferencji przyrody dla materii.

W każdej z tych kwestii fizyka promieniowania kosmicznego i badania laboratoryjne prowadzone za pomocą akceleratorów odgrywają komplementarną rolę.

Większość cząstek promieniowania kosmicznego ma energie do kilku milionów elektronowoltów, 106 eV, czyli łatwo osiągalną w akceleratorach cząstek. Niedawno jednak zaobserwowano promieniowanie kosmiczne o energiach sięgających 1020 eV. Jest to ogromna ilość energii, około 100 milionów razy większa niż możliwa do osiągnięcia w najpotężniejszych nawet akceleratorach cząstek, zatem tego typu promieniowanie kosmiczne wzbudza nowe zainteresowanie fizyką promieniowania komicznego. Mimo że energie tych cząstek są znacznie wyższe od osiąganych w akceleratorach, ich gęstości są jednak skrajnie niskie. Spodziewamy się zaledwie jednej cząstki o energii ponad 1018 eV na kilometr kwadratowy atmosfery ziemskiej na tydzień. W przypadku energii powyżej 1020 eV oczekujemy, że zaledwie jedna cząstka spadnie na każdy kilometr kwadratowy w ciągu 100 lat!

Trudno sobie wyobrazić, skąd mogą pochodzić cząstki o tak wysokich energiach. Naukowcy proponowali takie wyjaśnienia, jak super-potężne kosmiczne eksplozje, masywne czarne dziury oraz jeszcze nie znane gigantyczne pozostałości wczesnego Wszechświata. Bardzo możliwe, że to wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne kryje tajemnice dotyczące ewolucji, a może nawet pochodzenia Wszechświata.