Астрофизика частиц

Астрофизика элементарных частиц , также называемая астрофизикой элементарных частиц , — это раздел физики элементарных частиц , изучающий элементарные частицы астрофизического происхождения и их связь с астрофизикой и космологией . Это относительно новая область исследований, возникающая на стыке физики элементарных частиц, астрономии , астрофизики, детекторной физики , теории относительности , физики твердого тела и космологии . Частично мотивированная открытием нейтринных осцилляций , эта область с начала 2000-х годов претерпела быстрое развитие как теоретически, так и экспериментально. ^[1]

История

Область физики астрочастиц возникла из оптической астрономии. С развитием детекторной технологии появилась более зрелая астрофизика, которая включала в себя множество подтем физики, таких как механика , электродинамика , термодинамика , физика плазмы , ядерная физика , теория относительности и физика элементарных частиц . Физики элементарных частиц сочли астрофизику необходимой из-за сложности создания частиц с энергией, сопоставимой с теми, которые находятся в космосе. Например, спектр космических лучей содержит частицы с энергиями до 10 ²⁰ эВ , где протон-протонное столкновение на Большом адронном коллайдере происходит при энергии ~10 ¹² эВ.

Можно сказать, что эта область началась в 1910 году , когда немецкий физик по имени Теодор Вульф измерил ионизацию воздуха, показатель гамма-излучения, внизу и вверху Эйфелевой башни . Он обнаружил, что наверху ионизация была гораздо большей, чем ожидалось, если бы это излучение приписывалось только земным источникам. ^[2]

Австрийский физик Виктор Фрэнсис Гесс предположил, что часть ионизации была вызвана радиацией с неба. Чтобы защитить эту гипотезу, Гесс сконструировал приборы, способные работать на больших высотах, и провел наблюдения по ионизации до высоты 5,3 км. С 1911 по 1913 год Гесс совершил десять полетов для тщательного измерения уровня ионизации. По предварительным расчетам он не ожидал, что на высоте более 500 м будет какая-либо ионизация, если единственной причиной радиации будут наземные источники. Однако его измерения показали, что, хотя уровни ионизации первоначально снижались с высотой, в какой-то момент они начали резко возрастать. На пике своих полетов он обнаружил, что уровень ионизации был намного выше, чем на поверхности. Тогда Гесс смог сделать вывод, что «излучение очень высокой проникающей способности проникает в нашу атмосферу сверху». Более того, один из полетов Гесса произошел во время почти полного затмения Солнца. Поскольку он не наблюдал падения уровня ионизации, Гесс предположил, что источник должен находиться дальше в космосе. За это открытие Гесс был одним из тех, кто был удостоен Нобелевская премия по физике в 1936 году. В 1925 году Роберт Милликен подтвердил открытия Гесса и впоследствии ввёл термин « космические лучи ». ^[3]

Многие физики, знающие о происхождении области астрофизики частиц, предпочитают приписывать это «открытие» космических лучей Гессом отправной точкой для этой области. ^[4]

Темы исследований

Хотя может быть трудно выбрать стандартное «учебное» описание области астрофизики частиц, эту область можно охарактеризовать темами исследований, которые активно изучаются. Журнал Astroarticle Physics принимает статьи, посвященные новым разработкам в следующих областях: ^[5]

Физика космических лучей и астрофизика высоких энергий ;
Космология частиц;
Астрофизика элементарных частиц;
Сопутствующая астрофизика: сверхновые , активные ядра галактик , космическое изобилие, темная материя и т. д.;
Гамма-астрономия высоких энергий, VHE и UHE;
нейтринная астрономия высоких и низких энергий;
Разработки приборов и детекторов, относящиеся к указанным выше областям.

Открытые вопросы

Одна из главных задач на будущее этой области — просто тщательно определить себя, выходя за рамки рабочих определений, и четко отличить себя от астрофизики и других смежных тем. ^[4]

Текущие нерешенные проблемы в области физики астрочастиц включают определение характеристик темной материи и темной энергии . Наблюдения орбитальных скоростей звезд Млечного Пути и других галактик, начиная с Вальтера Бааде и Фрица Цвикки в 1930-х годах, наряду с наблюдаемыми скоростями галактик в галактических скоплениях, обнаружили движение, намного превышающее плотность энергии видимой материи, необходимую для объяснения их динамика. С начала девяностых годов были найдены некоторые кандидаты, способные частично объяснить недостающую темную материю, но их далеко не достаточно, чтобы дать полное объяснение. Открытие ускоряющейся Вселенной предполагает, что большая часть недостающей темной материи хранится в виде темной энергии в динамическом вакууме. ^[6]

Еще один вопрос для физиков-астрофизиков: почему сегодня во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Бариогенез — это термин, обозначающий гипотетические процессы, которые произвели неравное количество барионов и антибарионов в ранней Вселенной, поэтому сегодня Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии. ^[6]

Экспериментальные установки

Быстрое развитие этой области привело к проектированию новых типов инфраструктуры. В подземных лабораториях или с помощью специально разработанных телескопов, антенн и спутниковых экспериментов физики астрочастиц используют новые методы обнаружения для наблюдения широкого спектра космических частиц, включая нейтрино, гамма-лучи и космические лучи при самых высоких энергиях. Они также ищут темную материю и гравитационные волны . Физики-экспериментаторы ограничены технологией своих земных ускорителей, которые способны производить лишь небольшую часть энергии, встречающейся в природе.

Ниже приводится неполный список лабораторий и экспериментов по физике астрочастиц.

Подземные лаборатории

Эти объекты расположены глубоко под землей, чтобы защитить очень чувствительные эксперименты от космических лучей , которые в противном случае помешали бы наблюдению очень редких явлений.

Китайская подземная лаборатория Цзиньпин — это глубокая подземная лаборатория в горах Цзиньпин в провинции Сычуань , Китай.
Обсерватория Камиока — это лаборатория нейтрино и гравитационных волн, расположенная под землей в шахте Модзуми недалеко от участка Камиока города Хида в префектуре Гифу, Япония. Это место проведения эксперимента Супер-Камиоканде .
Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) — это лаборатория, в которой проводятся эксперименты, требующие низкофоновой среды. Его экспериментальные залы расположены в пределах горы Гран-Сассо , недалеко от Аквилы (Италия).
Компания SNOLAB расположена на глубине 2 км под землей в действующей шахте в Большом Садбери (Канада). Расширенная из первоначальной нейтринной обсерватории Садбери , вся подземная лаборатория работает как чистая комната , где проводятся эксперименты по физике нейтрино и поиску темной материи.
В Сэнфордском подземном исследовательском центре (SURF), расположенном в Лиде, Южная Дакота, проводятся многочисленные эксперименты, и он частично финансируется Министерством энергетики США .

Детекторы нейтрино

очень большие детекторы нейтрино Для регистрации чрезвычайно редких взаимодействий нейтрино с атомной материей необходимы .

АйсКьюб ( Антарктида ). Самый большой детектор частиц в мире был завершен в декабре 2010 года. Целью детектора является исследование нейтрино высоких энергий, поиск темной материи, наблюдение взрывов сверхновых и поиск экзотических частиц, таких как магнитные монополи. ^[7]
АНТАРЕС ( Тулон , Франция ). Детектор нейтрино на глубине 2,5 км под Средиземным морем у побережья Тулона, Франция. Предназначен для обнаружения и наблюдения потока нейтрино в направлении южного полушария.
Проект НЕСТОР ( Пилос , Греция ). Целью международного сотрудничества является размещение нейтринного телескопа на морском дне у Пилоса в Греции.
BOREXINO — детектор реального времени, установленный на LNGS , предназначенный для обнаружения нейтрино от Солнца с помощью органической жидкостной сцинтилляционной мишени. ^[8]

Детекторы темной материи

Эксперименты посвящены прямому обнаружению взаимодействия темной материи с материалом мишени детектора.

Эксперимент LZ — это эксперимент по прямому обнаружению темной материи, целью которого является наблюдение рассеяния слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) на ядрах ксенона. Эксперимент расположен в Сэнфордском подземном исследовательском центре (SURF) в Южной Дакоте и управляется энергетики США Министерства Национальной лабораторией Лоуренса Беркли .
XENONnT, модернизация XENON1T , представляет собой эксперимент по прямому поиску темной материи, расположенный в LNGS, и, как ожидается, будет чувствителен к вимпам со спин-независимым поперечным сечением 10 ⁻⁴⁸ см ².
Глобальное сотрудничество по аргоновой темной материи проводит серию экспериментов с жидким аргоном: DarkSide-50 в LNGS , DEAP-3600 в SNOLAB и будущий детектор DarkSide-20k в LNGS . Эти эксперименты направлены на поиск вимпов и кандидатов на более тяжелые частицы темной материи.
Криогенный поиск темной материи (CDMS) — это серия экспериментов по поиску взаимодействия вимпов с полупроводниковыми детекторами при температурах в милликельвинах .
( Аксионный солнечный телескоп CERN ЦЕРН, Швейцария) ищет аксионы, исходящие от Солнца.

Обсерватории космических лучей

В обнаружении космических лучей высоких энергий заинтересованы:

Обсерватория Пьера Оже ( Маларгуэ , Аргентина ) обнаруживает и исследует космические лучи высоких энергий, используя два метода. Один из них — изучение взаимодействия частиц с водой, помещенной в резервуары поверхностного детектора. Другой метод заключается в отслеживании развития атмосферных ливней путем наблюдения за ультрафиолетовым светом, излучаемым высоко в атмосфере Земли. ^[9]
Проект Telescope Array ( Дельта, Юта ), эксперимент по обнаружению космических лучей сверхвысокой энергии (UHECR) с использованием наземной решетки и методов флуоресценции в пустыне западной Юты.

См. также

Ссылки

^ Де Анджелис, Алессандро; Пимента, Марио (2018). Введение в физику элементарных частиц и астрочастиц (многоинформационная астрономия и ее основы физики элементарных частиц) . Спрингер. дои : 10.1007/978-3-319-78181-5 . ISBN 978-3-319-78181-5 .
^ Лонгэйр, Миссисипи (1981). Астрофизика высоких энергий . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета . п. 11. ISBN 978-0-521-23513-6 .
^ «17 апреля 1912 года: полет Виктора Гесса на воздушном шаре во время полного затмения для измерения космических лучей» . Проверено 18 сентября 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Циркель-Бартельт, Ванесса (2008). «История физики астрочастиц и ее компонентов» . Живые обзоры в теории относительности . 11 (2): 7. Бибкод : 2008LRR....11....7F . дои : 10.12942/lrr-2008-7 . ПМК 5256108 . ПМИД 28179823 . Проверено 23 января 2013 г.
^ Астрофизика частиц . Проверено 18 сентября 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Групен, Клаус (2005). Астрофизика частиц . Спрингер. ISBN 978-3-540-25312-9 .
^ «IceCube — Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY» . Архивировано из оригинала 23 января 2013 г. Проверено 24 января 2013 г.
^ http://borex.lngs.infn.it. Архивировано 23 июля 2012 г. в Wayback Machine.
^ "Дом" . Архивировано из оригинала 6 мая 2013 г. Проверено 29 апреля 2013 г.

Перкинс, Д.Х. (2009). Астрофизика элементарных частиц (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-954546-9 .

Внешние ссылки

[1] Де Анджелис, Алессандро; Пимента, Марио (2018). Введение в физику элементарных частиц и астрочастиц (многоинформационная астрономия и ее основы физики элементарных частиц) . Спрингер. дои : 10.1007/978-3-319-78181-5 . ISBN 978-3-319-78181-5 .

[Lon1981-2] Лонгэйр, Миссисипи (1981). Астрофизика высоких энергий . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета . п. 11. ISBN 978-0-521-23513-6 .

[3] «17 апреля 1912 года: полет Виктора Гесса на воздушном шаре во время полного затмения для измерения космических лучей» . Проверено 18 сентября 2013 г.

[Cirkel-Bartelt-4] Jump up to: ^а ^б Циркель-Бартельт, Ванесса (2008). «История физики астрочастиц и ее компонентов» . Живые обзоры в теории относительности . 11 (2): 7. Бибкод : 2008LRR....11....7F . дои : 10.12942/lrr-2008-7 . ПМК 5256108 . ПМИД 28179823 . Проверено 23 января 2013 г.

[5] Астрофизика частиц . Проверено 18 сентября 2013 г.

[Astroparticle_Physics-6] Jump up to: ^а ^б Групен, Клаус (2005). Астрофизика частиц . Спрингер. ISBN 978-3-540-25312-9 .

[7] «IceCube — Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY» . Архивировано из оригинала 23 января 2013 г. Проверено 24 января 2013 г.

[8] ttp://borex.lngs.infn.it. Архивировано 23 июля 2012 г. в Wayback Machine.

[9] "Дом" . Архивировано из оригинала 6 мая 2013 г. Проверено 29 апреля 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

v т и Основные разделы физики
Подразделения	Чистый Применяемый Инженерное дело
Подходы	Экспериментальный Теоретический вычислительный
Классический	Классическая механика Ньютоновский Аналитический Небесный Континуум Акустика Классический электромагнетизм Классическая оптика Рэй Волна Термодинамика Статистический Неравновесный
Современный	Релятивистская механика Особенный Общий Ядерная физика Квантовая механика Физика элементарных частиц Атомная, молекулярная и оптическая физика Атомный Молекулярный Современная оптика Физика конденсированного состояния
Междисциплинарный	Астрофизика Физика атмосферы Биофизика Химическая физика Геофизика Материаловедение Математическая физика Медицинская физика Физика океана Квантовая информатика
Связанный	История физики Нобелевская премия по физике Философия физики Физическое образование Хронология физических открытий