Частица «О-Мой-Боже»

Не путать с «частицей Бога» или бозоном Хиггса .

Частица Oh-My-God — космический луч сверхвысокой энергии, обнаруженный 15 октября 1991 года камерой Fly’s Eye на испытательном полигоне Дагуэй , штат Юта , США . По состоянию на 2024 год Это космические лучи самой высокой энергии , когда-либо наблюдавшиеся. Его энергия была оценена как (3,2 ± 0,9) × 10 ²⁰  эВ (320 экза-эВ). Энергия частицы была неожиданной и поставила под сомнение преобладающие теории о происхождении и распространении космических лучей.

Скорость

Неизвестно, что это была за частица , но большинство космических лучей — это протоны. Если $m_{\mathrm {p} }$ - масса покоя частицы и $E_{\mathrm {K} }$ - его кинетическая энергия (энергия выше энергии покоя ), тогда его скорость была ${\textstyle {\sqrt {1-[m_{\mathrm {p} }c^{2}/(E_{\mathrm {K} }+m_{\mathrm {p} }c^{2})]^{2}}}}$ раз превышает скорость света . Если предположить, что это был протон, для которого $m_{\mathrm {p} }c^{2}$ равна 938 МэВ, это означает, что он путешествовал со скоростью 0,999 999 999 999 999 999 999 9951 раз превышающей скорость света, его коэффициент Лоренца составлял 3,2 × 10. ¹¹ и его быстрота составляла 27,1 . Согласно специальной теории относительности , релятивистское замедление времени, испытываемое протоном, движущимся с такой скоростью, было бы экстремальным. Если бы протон возник на расстоянии 1,5 миллиарда световых лет, то в системе отсчета протона ему потребовалось бы примерно 1,71 дня, чтобы преодолеть это расстояние.

Энергия столкновения

Энергия этой частицы примерно в 40 миллионов раз превышала энергию протонов самой высокой энергии, которые были произведены на любом земном ускорителе частиц . Однако лишь небольшая часть этой энергии была доступна для его взаимодействия с ядром в атмосфере Земли, причем большая часть энергии оставалась в виде кинетической энергии центра масс продуктов взаимодействия. Если $m_{\mathrm {t} }$ - масса ядра-мишени, энергия, доступная для такого столкновения, равна

$${\sqrt {2E_{\mathrm {K} }m_{\mathrm {t} }c^{2}+(m_{\mathrm {p} }+m_{\mathrm {t} })^{2}c^{4}}}-(m_{\mathrm {p} }+m_{\mathrm {t} })c^{2}$$

что для больших $E_{\mathrm {K} }$ примерно

$${\sqrt {2E_{\mathrm {K} }m_{\mathrm {t} }c^{2}}}.$$

Для частицы Oh-My-God, поражающей ядро ​​азота , это дает 2900 ТэВ, что примерно в 200 раз превышает максимальную энергию столкновения Большого адронного коллайдера , в котором сталкиваются две частицы высокой энергии, движущиеся в противоположных направлениях. Следовательно, в системе центра масс (которая двигалась почти со скоростью света в нашей системе отсчета) продукты столкновения имели бы энергию около 2900 ТэВ, достаточную для превращения ядра во множество частиц. раздвигаясь почти со скоростью света даже в этой системе отсчета с центром масс. Как и в случае с другими космическими лучами, это породило каскад релятивистских частиц, когда частицы взаимодействовали с другими ядрами.

Сравнения

Oh -My-God Энергия частицы была оценена как (3,2 ± 0,9) × 10 ²⁰  эВ , или 51 ± 14 Дж . Хотя это количество феноменально велико для одной элементарной частицы – намного превосходя самую высокую энергию, которую человеческая технология может генерировать в частице – она все еще намного ниже уровня шкалы Планка , где ожидается экзотическая физика. Хотя это субатомная частица , ее энергия была сравнима с гравитационной потенциальной энергией объекта массой 1 килограмм , который мог упасть с высоты 5 метров с двухэтажного здания.

Частица «О-Мой-Боже» имела 10 ²⁰ (100 квинтиллионов ) раз больше энергии фотонов видимого света, что эквивалентно бейсбольному мячу массой 140 граммов (5 унций), движущемуся со скоростью около 28 м / с (100 км / ч; 63 мили в час). Его энергия была в 20 миллионов раз больше, чем самая высокая энергия фотонов, измеренная в электромагнитном излучении , испускаемом внегалактическим объектом, блазаром Маркаряна 501 .

Высокая энергия, но намного ниже планковского масштаба.

Хотя энергия частицы была выше, чем все, что было достигнуто в земных ускорителях, она все же была примерно в 40 миллионов раз ниже планковской энергии ( 1,220 8901 × 10 ²⁸ эВ ). Частицы такой энергии потребуются для проявления эффектов в масштабе Планка . Протон с такой энергией пролетел бы расстояние 1,665 × 10. ¹⁵ раз ближе к скорости света, чем частица «О-Мой-Боже». Если смотреть с Земли и наблюдать в земной системе отсчета, это займет около 3,579 × 10 ²⁰ лет ( 2,59 × 10 ¹⁰ раз текущего возраста Вселенной ) для фотона, который догонит протон энергии Планка с опережением на 1 см.

Позже подобные события

С момента первого наблюдения произошли сотни подобных событий (энергия 5,7 × 10 ¹⁹ эВ или более), что подтверждает это явление. Эти частицы космических лучей сверхвысокой энергии очень редки; энергия большинства частиц космических лучей составляет от 10 ⁷ эВ и 10 ¹⁰ эВ.

Более поздние исследования с использованием проекта Telescope Array Project предположили, что источник частиц находится в «теплом пятне» радиусом 20 градусов в направлении созвездия Большой Медведицы .

Частица Аматэрасу , названная в честь богини Солнца в японской мифологии, была обнаружена в 2021 году, а затем идентифицирована в 2023 году с помощью обсерватории Telescope Array в штате Юта, США. Он имел энергию, превышающую 240 экзаэлектронвольт ( 2,4 × 10 ²⁰ эВ). Эта частица, по-видимому, возникла из Местной Пустоты , пустой области космоса, граничащей с галактикой Млечный Путь . В нем содержалось количество энергии, сравнимое с падением кирпича с высоты пояса. Ни одного многообещающего астрономического объекта, соответствующего направлению, откуда пришли космические лучи, обнаружено не было.

См. также

• Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина - Теоретический верхний предел энергии протонов космических лучей.
• Скопление Большой Медведицы - скопление галактик сверхскопления Девы.
• HZE ion – Высокоэнергетические тяжелые ионы космического происхождения.
• Солнечные энергетические частицы - частицы высокой энергии от Солнца.
• Частица Аматэрасу (2021 г.) – 240 Ээв.