Fang en partikel og forstå universet

Fang en partikel og forstå universet

Ilya Kudryashov
"Schrödinger's Cat" №1-2 (15-16), 2016

Ilya Kudryashov – Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab, Forsker ved Laboratoriet for Detektionssystemer og Elektronik, Institut for Kernfysik. DV Skobeltsyna MSU. Et af nøgletalene i rumseksperimentet "Nuklon". Udover fysik er Ilya glad i små fly. På grund af sin hobby i sommeren 2015 blev han sagsøgt i straffesagen: Forskeren blev anklaget for at "kapre et fly, der ejes af DOSAAF". Ifølge Ilya blev flyet samlet fra de afskrevne dele. Desuden blev ejeren ærligt betalt for det.

Undersøgelsen af ​​kosmiske stråler vil hjælpe med at klare opgaver, som selv den store Hadron Collider ikke kan gøre.

NASA illustration

I 2016 skal Lomonosov rumfartøjet, der er udviklet af forskere fra Moskva State University, lanceres i kredsløb. Lanceringen er planlagt til 12. april, hvis naturligvis Vostochny cosmodrome vil blive bestilt af den tid. Men nu, udenfor Jorden, arbejder Nuklon-hardwarekomplekset, der også er skabt af fysikere ved Moskva Universitet. Målet med begge missioner er at studere kosmiske stråler – at have forstået deres natur, man kan lære meget om universet og om, hvad der er nær os.

Hvor løber afgiften væk

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)
Fransk ingeniør og fysiker, forsker af elektromagnetiske og mekaniske fænomener. Enheden for elektrisk ladning og loven for interaktion mellem elektriske ladninger "border = 0>

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)
Fransk ingeniør og fysiker, forsker af elektromagnetiske og mekaniske fænomener. Enheden for elektrisk opladning og loven om interaktion mellem elektriske ladninger er opkaldt efter ham.

Kosmiske stråler … Måske kan læserne straks forestille sig de mystiske vandrere, der er kommet til os fra den stjerneløse afgrund, og vil næsten være rigtige. Det er disse "næsten" forskere-kosmofysik og engageret i over hundrede år.

Det hele begyndte tilbage i 1785, da den franske fysiker Charles Augustin de Coulon, der udforskede elektricitetens art med et elektroskop, opdagede, at ladningen spontant lækker fra foliearkene selv med den bedste elektriske isolering. Årsagen til dette fænomen forblev ukendt i mere end et århundrede, indtil i 1879 viste William Crookes ikke, at ladningshastigheden falder med faldende lufttryk i et elektroskop. Herfra konkluderede den britiske videnskabsmand: årsagen til udledningen i ioniseringen af ​​luften.Men det forblev uklart hvorfor pludselig luften begynder at ionisere og fortsætter med at gøre det i nogen tid. Mystikken fortsatte indtil radioaktivitetsfænomenet blev opdaget i 1900- og 1800-tallet. Det viste sig, at elektroskopet udleder hurtigere i nærheden af ​​det radioaktive materiale, hvorefter selve årsagen til udladningen endelig blev klar: Partikler udsendt af det radioaktive materiale syes gennem enheden og ioniserer luften indeni, så ladningen løber fra arkene. William Crookes (1832-1919)
Britisk kemiker og fysiker. Han gik ned i historien som en mand, der opdagede thallium og først modtog helium i laboratorieforhold "border = 0>

William Crookes (1832-1919)
Britisk kemiker og fysiker. Han gik ned i historien som en mand, der opdagede thallium og først modtog helium i laboratoriet.

Den britiske fysiker Charles Wilson opdagede snart, at ladningen afløb fra elektroskopien selv i mangel af potentielt radioaktive genstande. Konklusionen om eksistensen af ​​en strålingsbakgrund, hvis kilde var enten Jorden eller atmosfæren eller rummet, blev foreslået. For at teste denne hypotese, i 1912, lavede den østrigske (da stadig) fysiker Victor Hess en række ballonflyvninger.Han forventer, at med højden vil afladningsgraden reduceres, da han anså Jorden for at være den vigtigste strålingskilde. Til videnskabsmandens store overraskelse viste resultatet sig at være diametralt modsat: Jo højere flyet steg, desto hurtigere opladede flyet. Det var kun at konkludere, at strålingen kommer fra himlen – Hess kaldte det "højde stråling."

Charles Thomson Reese Wilson (1869-1959)
Britisk fysiker. Modtaget Nobelprisen for oprettelse af instrumenter til registrering af spor af ladede partikler ("Wilsons kamera"). "Border = 0>

Charles Thomson Reese Wilson (1869-1959)
Britisk fysiker. Modtaget Nobelprisen for oprettelse af enheder til registrering af spor af ladede partikler ("Wilsons kammer")

En række eksperimenter udført efterfølgende af mange forskere viste, at høj højde stråling ikke forsvinder, enten om dagen eller om natten eller endda under en formørkelse, at denne effekt er næsten den samme på alle kontinenter (land og til søs) og er ikke afhængig af vejret. Det blev klart, at strålingen ikke er høj højde, men kosmisk. 20 år senere modtog Hess Nobelprisen, og hans forskning tjente som grundlag for udviklingen af ​​et nyt videnskabsområde – kosmiske stråles fysik.Siden da er forskerne langt fremme i undersøgelsen af ​​dette fænomen, men de vigtigste spørgsmål stillet i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede, det præcise svar kan ikke give indtil nu.

Tenniskugle diameter til Jupiter

Victor Franz Hess (1883-1964)
Østamerikanske fysiker, nobelpristager i 1936 for opdagelsen af ​​kosmiske stråler (med Carl Anderson). "Border = 0>

Victor Franz Hess (1883-1964)
Østamerikanske fysiker, nobelpristager i 1936 for opdagelsen af ​​kosmiske stråler (med Carl Anderson)

Hvad ved vi om kosmiske stråler? En moderne astrofysiker vil sige, at kosmiske stråler er relativistiske kollisionsløse plasma, eller for at sige det mere simpelt, elektroner, protoner og kerner af tunge elementer, der flyver gennem rum med nærlyshastigheder og praktisk talt aldrig møder hinanden. De fleste kosmiske stråler er protoner (ca. 94% af det samlede antal partikler), men alfa-partikler (4%) og kernerne af alle andre kemiske elementer fra det periodiske system op til uran findes også. Elektroner i kosmiske stråler er omkring ti tusind gange mindre end protoner, og positroner er generelt forsvindende små.

Energispektret for kosmiske stråler strækker sig med mere end 10 ordrer: fra 1011 op til 1021 eV. Til sammenligning: protonbjælker i Large Hadron Collider accelererer til kun 1013 eV.

Georgii Timofeevich Zatsepin (1917-2010)
Russisk fysiker, akademiker af RAS. Forfatter af vigtige værker på kosmiske stråler, muoner og neutrinos fysik, neutrino astrofysik "border = 0>

Georgii Timofeevich Zatsepin (1917-2010)
Russisk fysiker, akademiker af RAS. Forfatter af vigtige værker på kosmiske stråler, muoner og neutrinos fysik, neutrino astrofysik

For bedre at forstå, hvordan radikalt høj energi er ved 1021 eV, forestille sig at dette har en tennisbold, der flyver med en hastighed på 70 m / s. Kun hvis protonen øges til størrelsen af ​​en sådan bold, vil den fylde solsystemet næsten til Jupiter's kredsløb.

Selvfølgelig sådan højenergi sjældne: hvis du tegner en graf over strømmen af ​​partikler på deres energi, får vi kurven er faldende – så hurtigt, at en anden partikel passerer gennem en kvadratcentimeter med en energi på omkring 1011 eV, men med en værdi over 1020 man skal søge efter år ved hjælp af installationer med et areal på hundrede kvadratkilometer.

Mystery "knee" og "ankel"

Med så mange energier og forskellige sandsynligheder for partikelpåvisning er det nødvendigt at studere på flere måder. Den kemiske sammensætning af lavenergiske kosmiske stråler undersøges under direkte forsøg – på anlæg placeret på stratosfæriske balloner og rumfartøjer, og partikler af højere energier skal undersøges indirekte og se på de såkaldte brede luftbrusere, der opstår, når disse partikler interagerer med atmosfæren. Formen af ​​dette spektrum selv indeholder allerede en række gåder. På en dobbelt logaritmisk skala ville den repræsentere en næsten perfekt retlinie, hvis ikke for to skarpe kinks, hvilke fysikere kalder "knæet" og "ankelen". Efter "knæet" klokken 1015 EV spektret begynder at falde endnu hurtigere og ved "ankel" (1019 eV) bliver lidt mere blid. I dette tilfælde forstår vi ikke præcis, hvad der forårsagede denne formular. Måske dannes knæet, fordi kilderne til accelererede partiers oprindelse ændrer sig fra galaktisk til ekstragalaktisk: det er nemt at beregne, at galaktiske magnetfelter ikke vil være i stand til at holde partikler med energi over en vis grænse inde i Galaksen.Det viste sig, at denne grænse ligger lige i knæområdet. Årsagerne til eksistensen af ​​"ankelen" er meget mindre klar.

Nuklon udstyr installeret om bord på Resurs-P satellit
Projektet omfatter Forskningsinstitut for Kernfysik opkaldt efter D.V. Skobeltsyn MSU, Joint Institute for Nuclear Research (Dubna) og en række andre russiske videnskabelige organisationer ")"> Nuklon udstyr installeret om bord på Resurs-P satellit
Projektet omfatter Forskningsinstitut for Kernfysik opkaldt efter D.V. Skobeltsyna MSU, Joint Institute for Nuclear Research (Dubna) og en række andre russiske videnskabelige organisationer "border = 0> Nuklon udstyr installeret om bord på Resurs-P satellit
Projektet omfatter Det Videnskabelige Forskningsinstitut for Kernfysik opkaldt efter D. V. Skobeltsyn fra Moskva State University, Joint Institute for Nuclear Research (Dubna) og en række andre russiske videnskabelige organisationer.

Måske vil lyset på "knæet" -puslen blive holdt af MSU. MV Lomonosov orbital eksperiment "Nucleon", hvor energispektrene af forskellige kemiske elementer i sammensætningen af ​​kosmiske stråler måles. Så fysikere håber at etablere positionen af ​​"knæet" for hvert kemisk element separat.

Observatoriet flyver ind i rummet

Vadim Alekseevich Kuzmin (1937-2015)
Russisk fysiker, tilsvarende medlem af det russiske videnskabsakademi. Engageret i kosmiske stråler, det tidlige univers, solnutriner, kvantfeltteori "border = 0>

Vadim Alekseevich Kuzmin (1937-2015)
Russisk fysiker, tilsvarende medlem af det russiske videnskabsakademi. Engageret i kosmiske stråler, det tidlige univers, solnutriner, kvantfeltteori

Ifølge de moderne begreber er de vigtigste kilder til kosmiske stråler med energi fra 1012 op til 1016 eV er supernova eksplosioner. Selv om der stadig er uenigheder om mulige mekanismer for acceleration af kosmiske stråler i supernovas ekspanderende skaller, er ingen andre intragalaktiske kilder i stand til at udfylde galaksen med det observerede antal "energiske" partikler. Om partikler med energi over 1016 eV er meget mindre kendt: de har næsten helt sikkert en ekstragalaktisk oprindelse og er født i de mest dramatiske begivenheder i universet – for eksempel under kollisioner af galakser.

Pierre Victor Auger (1899-1993)
Fransk fysiker. I 1925 opdagede han virkningen af ​​ionisering af et atom i en ophidset tilstand (Auger-effekten; elektroner udsendt fra et atom hedder Auger-elektroner).I 1938 opdagede han brede atmosfæriske brusere (Auger showers) som led i kosmiske stråler. "Border = 0>

Pierre Victor Auger (1899-1993)
Fransk fysiker. I 1925 opdagede han virkningen af ​​ionisering af et atom i en ophidset tilstand (Auger-effekten; elektroner udsendt fra et atom hedder Auger-elektroner). I 1938 opdagede han brede atmosfæriske brusere (Auger showers) som en del af kosmiske stråler.

Andre detaljer om deres biografier er stadig skjult for forskerne ved et slør af hemmeligholdelse. Et særskilt spørgsmål – muligheden for eksistensen af ​​kosmiske stråler med energi over 1021 eV. Faktum er, at tilbage i 1966 forudsagde de sovjetiske fysikere Georgiy Zatsepin og Vadim Kuzmin og også – uanset dem – American Kenneth Greisen teoretisk at protonerne på disse energier skulle interagere med kvanten af ​​relikrobølgeovnens baggrund og tabte energien til dannelsen af ​​nye partikler – pioner.

Eksperimentel verifikation af denne hypotese er af fundamental betydning for moderne fysik: hvis det viser sig, at vi observerer sådanne partikler, betyder det, at deres kilde ikke ligger langt fra os (selvfølgelig på kosmisk skala), fordi sådanne stråler ikke skal nå fra fjerne kilder.Hvis det viser sig, at der ikke er nogen nærliggende kilde, og der er partikler med sådanne energier, vil dette i det mindste kræve en ændring i hele begrebet elementær partikelfysik. Søgningen efter disse høj-energiobjekter er verdens største kosmiske stråleobservatorium opkaldt efter Pierre Auger, der ligger i Sydamerika. Området for dette observatorium er 3.000 kvadratkilometer!

Men selv dette er måske ikke nok til at overvåge sådanne sjældne hændelser. Derfor forbereder fysikere på Moskva Universitet sig for at lancere den videnskabelige satellit Lomonosov, hvoraf en af ​​hovedopgaverne er at observere Cherenkov-gløden i natternes atmosfæren, der opstår, når ultrahøj energi partikler passerer gennem det . Ud fra resultatet af resultaterne er denne tilgang praktisk taget ikke ringere end brugen af ​​installationer med et meget større effektivt område. Det er symbolsk, at lanceringen af ​​Lomonosov-satellitten vil være den første til det nye russiske Vostochny-cosmodrom. Faktum er, at forskning i rumstråling begyndte på den allerførste videnskabelige satellit, der blev lanceret fra Baikonur cosmodrome. Kosmonautikens hele historie er forbundet med studiet af kosmiske stråler, fordi de ikke forstår deres natur,menneskeheden vil ikke være i stand til at forlade sin vugge, som bemaerket af tsolovskyjsky.

Universitets satellit "Lomonosov".
Designet til undersøgelse af kosmiske stråler med ekstremt høje energier og hurtige processer i det optiske, røntgen- og gammaområdet af bølgelængder. Deltagerne i eksperimenterne: Rusland (først og fremmest Scientific Research Institute of Nuclear Physics of Moscow State University), USA, Korea, Danmark, Spanien, Mexico, Taiwan. Foto: NASA, Vniiem.ru, Wikipedia / Commons "border = 0>

Universitets satellit "Lomonosov".
Designet til undersøgelse af kosmiske stråler med ekstremt høje energier og hurtige processer i det optiske, røntgen- og gammaområdet af bølgelængder. Deltagerne i eksperimenterne: Rusland (først og fremmest Scientific Research Institute of Nuclear Physics of Moscow State University), USA, Korea, Danmark, Spanien, Mexico, Taiwan. Foto: NASA, Vniiem.ru, Wikipedia / Commons


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: