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 [ править ]

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 пиках 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 заметил падения уровня ионизации, Гесс предположил, что источник должен находиться дальше в космосе. За это открытие Гесс был одним из людей, удостоенных премии Нобелевская премия по физике в 1936 году. В 1925 году Роберт Милликен подтвердил открытия Гесса и впоследствии ввёл термин « космические лучи ». ^[3]

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

Темы исследований [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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.

Установки, эксперименты и лаборатории, занимающиеся физикой астрочастиц, включают:

АйсКьюб ( Антарктида ). Самый длинный 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 (телескоп) . ( 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.
XENONnT, модернизация XENON1T , представляет собой эксперимент по прямому поиску темной материи, проводимый в Национальных лабораториях Гран-Сассо, и будет чувствителен к вимпам с поперечным сечением SI 10. ⁻⁴⁸ см ².
BOREXINO , детектор реального времени, установленный в Laboratori Nazionali del Gran Sasso , предназначенный для обнаружения нейтрино от Солнца с помощью органической жидкостной сцинтилляционной мишени. ^[8]
Обсерватория Пьера Оже ( Маларгуэ , Аргентина ). Обнаруживает и исследует космические лучи высокой энергии, 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]
CERN Axion Solar Telescope (ЦЕРН, Швейцария). Поиски аксионов, исходящих от Солнца.
Проект НЕСТОР ( Пилос , Греция ). Целью международного сотрудничества является размещение нейтринного телескопа на морском дне у Пилоса в Греции.
Обсерватория Камиока — это лаборатория нейтрино и гравитационных волн, расположенная под землей в шахте Модзуми недалеко от участка Камиока города Хида в префектуре Гифу, Япония.
Laboratori Nazionali del Gran Sasso — это лаборатория, в которой проводятся эксперименты, требующие низкого уровня фонового шума. Расположен внутри горы Гран-Сассо , недалеко от Аквилы (Италия). Его экспериментальные залы покрыты скалой высотой 1400 м, которая защищает эксперименты от космических лучей.
СНОЛАБ
Европейская сеть астрочастиц Aspera Создана в июле 2006 года и отвечает за координацию и финансирование национальных исследований в области физики астрочастиц.
Проект телескопической решетки ( Дельта, Юта ) Эксперимент по обнаружению космических лучей сверхвысокой энергии (UHECR) с использованием наземной решетки и методов флуоресценции в пустыне западной Юты.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ 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: Перейти обратно: ^а ^б Циркель-Бартельт, Ванесса (2008). «История физики астрочастиц и ее компонентов» . Живые обзоры в теории относительности . 11 (2). Институт гравитационной физики Макса Планка: 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: Перейти обратно: ^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 [ править ]

[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: Перейти обратно: ^а ^б Циркель-Бартельт, Ванесса (2008). «История физики астрочастиц и ее компонентов» . Живые обзоры в теории относительности . 11 (2). Институт гравитационной физики Макса Планка: 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: Перейти обратно: ^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
Divisions	Pure Applied Engineering
Approaches	Experimental Theoretical Computational
Classical	Classical mechanics Newtonian Analytical Celestial Continuum Acoustics Classical electromagnetism Classical optics Ray Wave Thermodynamics Statistical Non-equilibrium
Modern	Relativistic mechanics Special General Nuclear physics Quantum mechanics Particle physics Atomic, molecular, and optical physics Atomic Molecular Modern optics Condensed matter physics
Interdisciplinary	Astrophysics Atmospheric physics Biophysics Chemical physics Geophysics Materials science Mathematical physics Medical physics Ocean physics Quantum information science
Related	History of physics Nobel Prize in Physics Philosophy of physics Physics education Timeline of physics discoveries