Skip to main content

Kozmičke zrake - novi zaplet

Tekst je u originalu objavljen za portal Bug.hr.
Detekcija kozmičkih zraka visokih energija

Nedavni članak kolaboracije Pierre Auger Observatory, koja se bavi istraživanjem kozmičkih zraka vrlo visokih energija, potvrdila je već ranije uočeno iznenađujuće neslaganje između broja miona koje eksperimentalno opažaju i broja kojeg predviđaju najmoderniji teorijski modeli čestičnih interakcija. Koliko se naoko god činilo kontradiktornim, istraživači u svom poslu zapravo jedva čekaju nekakvo neslaganje u ustaljenim teorijama jer to može značiti otvaranje nove stranice u razumijevanju prirode. To im je dakako i snažna motivacija za daljnji rad. Ipak, prije nastavka priče o povećanom broju detektiranih miona treba nešto ispričati o kontekstu ovog istraživanja i kozmičkim zrakama općenito.

Kozmičke zrake spadaju u onu vrstu fenomena koji se otkrivaju postupno, tako da ni dan danas, malo više od stotinu godina njihova proučavanja, nije sve poznato, dapače o njihovim izvorima zna se vrlo malo. Razlog postepenog razvoja razumijevanja leži u samoj kompleksnosti fenomena, pa je tako često za otključavanje idućeg nivoa potrebno sakupiti nove spoznaje u drugim područjima istraživanja. Često pak ta druga područja dobiju važan poticaj od rezultata istraživanja prvoga fenomena. Takva isprepletenost znanstvenih istraživanja može se lijepo oslikati na priči o kozmičkim zrakama, a i konkretno ovom pričom.

Prva detekcija pozitrona

Fotografija prvog detektiranog "pozitivnog elektrona", odnosno pozitrona u maglenoj komori proizašao iz kozmičkog zračenja (Izvor: Physical Review, Licenca: Javna domena)

Kozmičke su zrake fizici donijele mnoga otkrića. Možda najpoznatije takvo otkriće je otkriće pozitrona, antimaterijskog parnjaka elektronu. To je ujedno bila i prva potvrda postojanja antimaterije za što je Carl D. Anderson dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1936. godine. No tu je Nobelovu nagradu podijelio s Austrijancem Victorom Hessom. Upravo je Hess taj koji je tijekom 1912. godine u višestrukim eksperimentima u balonu na nadmorskim visinama i do 5.000 metara ustvrdio da radijacija raste s nadmorskom visinom te da ne ovisi o danu i noći, a ne mijenja ni za vrijeme pomrčine Sunca, što ga je navelo na zaključak da ne dolazi sa Zemlje, a ni sa Sunca, već iz svemira, nazvavši je tako kozmičkom radijacijom. Time je sebi zaslužio polovicu Nobela, a Andersonu otvorio put do njegove polovice.

Victor Hess u balonu

Victor Hess svoja je istraživanja provodio na različitim nadmorskim visinama u balonu (Izvor: APS News, Licenca: Javna domena)

U početku se pretpostavilo da se radi o visokoenergetskim fotonima, po čemu je ta pojava dobila i današnji naziv kozmičke zrake, ali su daljnja istraživanja otkrila da se na različitim geografskim širinama pojavljuje s različitim intenzitetima što se objasnilo time da se ne radi o fotonima, već o nabijenim česticama koje se zakreću u geomagnetskom polju Zemlje. Slični su eksperimenti pokazali da u prosjeku više njih dolazi sa zapada, nego s istoka, što znači da je njihov naboj u većini slučajeva pozitivan jer ako ulete u Zemljino magnetsko polje s istoka bivaju odbijene od Zemlje, dok one sa Zapada saviju svoju putanju prema Zemlji. S malo ponavljanja srednjoškolske fizike, točnije pravila desne ruke može se taj efekt lako predočiti uz podsjetnik da je Zemlja veliki magnet gdje je južni magnetski pol zapravo na geografskom sjeveru, a sjeverni na jugu.

Kozmičke su zrake ubrzo postale glavni izvor istraživanja novih čestica. Tako je isti Anderson koji je 1932. otkrio pozitron, otkrio 1937. godine i mion među česticama kozmičkog zračenja - česticu istog naboja kao elektron, "samo" 200 puta težu! U tadašnjoj slici osnovnih građevnih blokova materije gdje su proton, neutron i elektron, kao i njihove antičestice činile lijep sklad, mion je definitivno pokvario priču što je nobelovac Isaac Rabi sažeo s poznatim pitanjem "Tko je to naručio?". Pedesetih godina prošlog stoljeća sve bolji akceleratori čestica preuzimaju primat od kozmičkih zraka u istraživanju elementarnih čestica. Razlog je jednostavan: akcelerator je pod kontrolom istraživača i tako se relativno lako mogu kontrolirati ulazni parametri smanjujući broj nepoznanica: poznata je vrsta čestice koja se ubrzava, njezina energija i njezin smjer. Era čestičnih akceleratora traje i danas, a najpoznatiji je Veliki hadronski sudarivač (LHC) u CERN-u kod Ženeve koji je dao i zadnje veliko otkriće u fizici elementarnih čestica - Higgsov bozon 2012. godine.

Međutim, kako je već izgradnja LHC-a bila izazovna i završena u konačnici uz mnogo odgoda i probijanja previđenih proračuna, novi sudarivači još viših energija ne naziru se tako skoro. Potraga za prirodom tvari na još višim energijama vratila je pažnju fizičara na kozmičke zrake. Zašto? Za razliku od sudarivača, energija čestica kozmičkih zraka koje ulaze u Zemljinu atmosferu nije unaprijed dana, već se proteže od vrlo niskih energija tek tolikih da prevladaju sunčev vjetar, pa sve do energija koje uvelike premašuju energiju LHC-a. Najveće opažene energije tih čestica iznose i do 10^20 elektronvolti, što je više od 16 džula po čestici! Malo? Jedna jedina čestica kao što je proton ima energiju da podigne više od jedan kilogram težak uteg na visinu od 1 metar! Ne poznajemo ništa u prirodi što ima višu energiju po čestici od te. Zato je bilo lako odgovoriti zabrinutima o kataklizmi koju bi mogao izazvati LHC svojim radom - u prirodi se svakodnevno pojavljuju čestice i viših energija, pa Zemlja još uvijek nije progutana u recimo crnoj rupi. Ali postoji "kvaka" s tim kozmičkim zrakama, a to je što je njihova energija viša, to su one rjeđe, a one najviših energija u prosjeku upadaju jednom u sto godina na jedan kilometar kvadratni. Prije nego se podigne bijela zastava i ustvrdi da je nemoguće izgraditi tako velik detektor da bi detektirao imalo smislen broj događaja, treba spomenuti da te čestice lako međudjeluju s tvari upravo zato što nose električni naboj i time međudjeluju elektromagnetski. To konkretno znači da pri ulasku u atmosferu one neizbježno pogode neku molekulu zraka, a tada, iz tog sudara nastaje cijela šuma novih, sekundarnih čestica koje u daljnjim sudarima stvaraju nove i nove sve dok u jednom trenu to dijeljenje prvotne energije po sekundarnim česticama ne padne ispod razine gdje pojedina čestica ima energiju za stvaranje novih. Na površini zemlje to se opaža kao pljusak čestica, a takav pljusak više nije nemoguća misija detektirati jer prekriva puno veću površinu od samo jedne čestice.

Detekcija kozmičkih zraka visokih energija

Simulacija čestičnog pljuska kako ga detektira opservatorij Pierre Auger (Izvor: Pierre Auger Observatory)

Upravo kolaboracija Pierre Auger upravlja najvećim detektorom pljuskova nastalih iz visoko energetskih kozmičkih zraka. Taj se eksperiment nalazi u argentinskoj pokrajni Mendozi, usred pampe, na nadmorskoj visini od 1400 metara i površini od 3000 km2. Eksperiment se sastoji od 1600 tankova vode raspoređenih na toj ogromnoj površini. U tankovima su uronjeni detektori za sekundarne čestice koje ih prilikom događaa zasipaju. Uz tankove koji rade neovisno o periodu dana, u detekciji sudjeluju i teleskopi fluorescencije postavljenima na granicama tog prostranstva koji pak opažaju noćno svjetlucanje pljuska u atmosferi prije nego on dođe do tankova. Pokrivanjem takve površine, ali i velikog "nereda" kojeg stvore prvotne (primarne) kozmičke zrake pri ulasku u atmosferu, moguće je sustavno opažanje takvih rijetkih događaja. Najveći izazov određivanje je onoga što je u sudarivačima u od početka poznato: energije, smjera i vrste čestice koja je uletila u atmosferu Zemlje i to se određuje tako da se povezuju opaženi parametri poput broja i vrste sekundarnih čestica u pljusku s teorijskim modelima.

Sada je moguće objasniti o čemu govori članak. Pierre Auger detektira neka svojstva pljuska, između ostaloga i broj sekundarnih čestica na temelju čega se rekonstruira sastav prvotne čestice. U tim sekundarnim česticama nalaze se i mioni, iste one koje je 1937. godine otkrio Anderson iz kozmičkih zraka. Ono što je iznenađujuće da tih miona ima od 30% do 60% više nego se to očekuje s obzirom na broj drugih čestica i druga svojstava detektiranog pljuska. Očekivanje se temelji na mjerenjima sudara čestica već spomenutog LHC-a, odnosno na modelima čestičnih sudara koji se usklađuju s rezultatima LHC-a. Međutim tako visoke energije LHC ne može doseći pa se predviđanja modela ekstrapoliraju što u konačnici daje i okviran broj svih čestica koje nastaju u sudarima na takvim energijama. Neki raniji eksperimenti su dali naslutiti, a sada je Pierre Auger potvrdio da detektirani broj miona ne odgovara broju ni iz jednog modela koji uspješno predviđaju ostala svojstva. To naslućuje da postoji neki novi oblik tvari koji se pojavljuje na tim visokim energijama - neka nova, do sada nepoznata, formacija ili odnos elementarnih čestica. Ako se ova zagonetka ne riješi u okvirima sadašnjih modela i eksperimenata, to može biti jedan od razloga za gradnju sudarivača viših energija nego što to nudi LHC.

Raspetljavanjem ove zagonetke priča s kozmičkim zrakama nikako neće biti završena, već će omogućiti bolje razumijevanje sastava prvotnih zraka i time otključavanja višeg nivoa, ovog puta onog astrofizičkog. Njegov opis ostavljamo za jednu iduću prigodu, za priču o porijeklu kozmičkih zraka vrlo visokih energija.