अंतरिक्ष कण ब्रेकिंग स्पीड रिकॉर्ड

15 अक्टूबर, 1991 की रात को, यूटा के ऊपर आकाश के माध्यम से ओह-माय-गॉड नामक एक कण काटा गया ।

यह ब्रह्मांडीय विकिरण था, जिसमें ऊर्जा के 320 एक्सिलेट्रोन-वोल्ट (10 ¹⁸ ईवी) - बड़े हैड्रोन कोलाइडर के कणों की तुलना में एक लाख गुना अधिक तक पहुंच सकते हैं। कण की इतनी गति थी कि, अगर वह प्रकाश से प्रतिस्पर्धा करता, तो एक वर्ष में उसके पीछे के बालों की मोटाई का 1/1000 हो जाता। इसमें इतनी ऊर्जा होती है जैसे कि आप अपनी उंगली पर बॉल फेंकते हैं - केवल एक बॉलिंग बॉल में उतने ही परमाणु होते हैं जितने आसमान में तारे होते हैं। "कोई भी उम्मीद नहीं करता था कि यूटा विश्वविद्यालय के एक खगोल भौतिकीविद् डेविड किडा ने कहा था कि बहुत अधिक ऊर्जा एक कण में जा सकती है।"

जिस स्थान पर कण गिरे, वहां से पांच मील दूर, पुराने ट्रेलर में एक सुनसान पहाड़ की चोटी पर चूहों के रहने और एक शोधकर्ता के रूप में काम किया। घटना के कुछ समय पहले, सूर्यास्त के समय, मेंगज़ी लुओ, जिसका नाम "स्टीफन" था, फ्लाई के आई डिटेक्टर के कंप्यूटरों पर बदल गया। यह एक दर्जन गोलाकार दर्पण है, जो नंगे मैदान में स्थित है। प्रत्येक दर्पण एक सीवर पाइप से बने "टिन कैन" के अंदर तय किया गया था और दिन के दौरान नीचे देखा गया था ताकि इसके संवेदनशील सेंसर सौर विकिरण से ग्रस्त न हों। अंधेरे की शुरुआत के साथ, एक स्पष्ट और चांदनी रात में, लुओ ने आकाश का सामना करने वाले डिब्बे को बदल दिया।

"प्रयोग अभी भी कच्चा था," काइडा कहते हैं, जिन्होंने लुओ और अन्य वैज्ञानिकों के साथ आई ऑफ द फ्लाई के साथ काम किया। "लेकिन मुख्य बात यह है कि यह काम किया है।"


मक्खी की आँख

1981 में 1993 तक पश्चिमी यूटा के रेगिस्तान में एक सैन्य प्रशिक्षण ग्राउंड में फ्लाई ऑफ द फ्लाई ने काम किया। वह उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों की ऊर्जा और दिशाओं को निर्धारित करने के लिए "वायु प्रतिदीप्ति" की तकनीक का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे, जिन्होंने वायुमंडल के माध्यम से किरणों के पारित होने के लिए नाइट्रोजन अणुओं द्वारा उत्सर्जित प्रकाश का उपयोग किया था। 1991 में, द फ्लाई ऑफ द फ्लाई ने एक ब्रह्मांडीय किरण की खोज की, जिसे आज तक ज्ञात उच्चतम ऊर्जा कण माना जाता है।

ओह-माय-गॉड पार्टिकल (“एडर्ड” - के रूप में ऑटोडेस्क के संस्थापक जॉन वॉकर ने इसे अपने शुरुआती वेब लेखों में से एक) के रूप में चमकीले चमकदार ट्रेस को अगली गर्मियों में एक फ्लाई ऑफ आईज़ के बीच देखा। उसके बारे में संदेश केवल एक साल बाद दिखाई दिए, वैज्ञानिकों के एक समूह ने अपनी वास्तविकता को खुद को समझाने में सक्षम होने के बाद। कण ने गति के रिकॉर्ड को तोड़ दिया जो कई दशकों तक उसे मारा था। इससे पहले, यह एक कण द्वारा स्थापित किया गया था जो कि केनेथ ग्रेसेन, जॉर्जजी ज़त्सेपिन और वादिम कुज़मिन - 60 ईईवी द्वारा खोजा गया था। उनका मानना ​​था कि अधिक ऊर्जा का कोई भी कण ब्रह्मांड की पृष्ठभूमि विकिरण के साथ बातचीत में इसे खो देगा। ऊर्जा हानि का यह सिद्धांत, जिसे "GZK का नुकसान" कहा जाता था, सुझाव देता है कि "आराध्य" का एक कण हमारे पास की किसी वस्तु से - शायद हमारी आकाशगंगा सुपरक्लस्टर से उड़ता है।लेकिन इसे प्राप्त करने के लिए अकल्पनीय अनुपात के एक अंतरिक्ष त्वरक की आवश्यकता होगी। और जिस दिशा से यह उड़ान भरी, वैज्ञानिकों को इसके लिए उपयुक्त कुछ भी नहीं मिला।

"जैसा कि यदि आपके पास आपके यार्ड में एक अदृश्य गोरिल्ला है जो आप पर गेंदबाजी की गेंदें फेंकता है," किडा ने कहा।

"आराध्य" कण कहां से आया? वह भी कैसे दिखाई दिया? और वह थी? इन सवालों ने वैज्ञानिकों को और अधिक परिष्कृत डिटेक्टरों का निर्माण करने के लिए प्रेरित किया, जिन्होंने तब से 1 EVV के हजारों-हज़ारों अल्ट्राहैग-एनर्जी कॉस्मिक किरणों को रिकॉर्ड किया है, जिसमें 60 EVV से अधिक की ऊर्जा वाले कणों के साथ कई सौ अल्ट्रा-जीजेडके इवेंट शामिल हैं (हालांकि, उनमें से कोई भी नहीं पहुंचा। 320 ईईवी)।

कण जो GZK रिकॉर्ड को हराते हैं, वे भौतिकी के उस क्षेत्र में एक झलक पा सकते थे जो अन्यथा दुर्गम था - शायद क्वांटम भौतिकी को अंतरिक्ष के विकास के साथ जोड़ना। या, कम से कम, अद्भुत ज्योतिषीय वस्तुओं की खोज करें, जो तब तक केवल दूरबीन लेंस पर इंगित करती थीं। लेकिन समय के साथ, अनुसंधान ने केवल अधिक भ्रम पैदा किया। पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के एक खगोल भौतिकीविद्, पॉल सोमरस, जो अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक किरणों में विशेषज्ञता रखते हैं, को निष्कर्षों के बारे में समझाना मुश्किल है। "किसी भी परिकल्पना के साथ समस्याएं हैं।"


ऊर्जा के कार्यों के रूप में लौकिक किरण के उतार-चढ़ाव का लॉगरिदमिक ग्राफ। लाइन में दो मोड़ हैं, जिन्हें स्पेक्ट्रम का "घुटने" और "टखना" कहा जाता था

हाल ही में, शोधकर्ताओं ने, आकाश में एक "गर्म स्थान" की खोज की है, जिसने कई उच्च-ऊर्जा कणों को पकड़ा है, वैज्ञानिक उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों को समझने के मार्ग पर जाने में सक्षम थे।

टखने की समस्याएं

पृथ्वी के हर सेकंड, हर वर्ग मीटर में हजारों ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा छेद किया जाता है। और 1910 में ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी विक्टर हेस के गुब्बारे में उठने तक किसी ने भी उनकी खोज नहीं की। उन्होंने सीखा कि ऊंचाई के साथ आयनीकृत विकिरण की मात्रा बढ़ जाती है। उन्होंने सूर्य ग्रहण के दौरान माप लिया और पाया कि अधिकांश विकिरण सूर्य की परवाह किए बिना हमारे पास आते हैं। इसके लिए, 1936 में उन्हें नोबेल पुरस्कार मिला।

ब्रह्मांडीय किरणें हमारे ग्रह को चारों ओर से भेदती हैं और ऊर्जा का सुचारू वितरण करती हैं। समुद्र तल पर, हम निम्न-स्तर के विकिरण का अनुभव करते हैं, जो हमारे वायुमंडल के साथ किरणों के संपर्क से प्राप्त होता है। अधिकांश किरणें एकल प्रोटॉन हैं, शेष किरणों में से अधिकांश भारी नाभिक हैं, और उनमें से कई इलेक्ट्रॉन हैं। अधिक ऊर्जा वाली किरणें कम आम हैं। उनमें से सबसे दुर्लभ, 1 EVV से अधिक की ऊर्जा वाले, हर सौ साल में केवल एक बार एक वर्ग किलोमीटर के दायरे में आते हैं।

यदि हम अपनी ऊर्जा के अनुसार डिटेक्टरों से गुजरने वाली किरणों की संख्या को प्लॉट करते हैं, तो हमें एक नकारात्मक ढलान और दो मोड़ - "घुटने" और "टखने" के साथ एक रेखा मिलती है। सिद्धांत रूप में ये ज्यादतियां, एक अलग प्रकृति की किरणों के बीच एक संक्रमण दिखाती हैं, या ऊर्जा के अधिक शक्तिशाली स्रोतों से किरणें। लेकिन ये प्रकार क्या हैं, और कौन से स्रोत हैं?

कई विशेषज्ञों की तरह, जर्मनी में वुपर्टल विश्वविद्यालय से खगोल भौतिकी के प्रोफेसर, कार्ल-हेन्स कामपरट और वेधशाला के प्रतिनिधि। दुनिया के सबसे बड़े अल्ट्रा हाई एनर्जी डिटेक्टर पियरे ऑगर का मानना ​​है कि जब सुपरसोनिक गति से विमान स्विच करते हैं, तो पॉप की तरह ही कॉस्मिक किरणों को गति मिलती है। "शॉक एक्सीलरेशन" "एक मौलिक प्रक्रिया है जो ब्रह्मांड में विभिन्न पैमानों पर होती है," कैम्पर कहते हैं। सौर फ्लेयर्स से लेकर तारों के विस्फोटों तक, तेजी से घूमने वाले पल्सर से लेकर विकिरणों के सक्रिय नाभिक से निकलने वाले विकिरण तक। यह सब सुपरसोनिक प्लाज्मा गति का परिणाम है, जो एक सदमे की लहर की उपस्थिति की ओर जाता है, जो प्रोटॉन और अन्य कणों की एक सतह परत बनाता है। कण लहर के अंदर कूदते हैं और इसके किनारों से परावर्तित होते हैं, जो प्लाज्मा के चुंबकीय क्षेत्र और खाली स्थान के वैक्यूम के बीच पकड़े जाते हैं। और प्रत्येक कूद के साथ, कण ऊर्जा प्राप्त करता है। "फिर वह बाहर निकलता है," टूरिस्ट कहते हैं, "और सेंसर द्वारा पकड़े जाने के लिए ब्रह्मांड के माध्यम से चलता है।"

लेकिन ब्रह्मांडीय किरण ऊर्जा के स्पेक्ट्रम के साथ विभिन्न विस्फोट तरंगों की तुलना करने का प्रयास खगोलविदों को एक मुश्किल स्थिति में डाल देता है। एक उम्मीद करेंगे कि "घुटने" और "टखने" उन उच्चतम बिंदुओं को चिह्नित करें, जो विस्फोट तरंगों के अंदर प्रोटॉन और नाभिक को सक्रिय कर सकते हैं। गणना से पता चलता है कि प्रोटॉन 0.001 ईईवी के बिंदु पर सीमा तक पहुंचते हैं - और वास्तव में, यह ग्राफ के साथ मेल खाता है। हेवियर नाभिक को 0.1 ईईवी के क्रम की ऊर्जाओं तक पहुंचना चाहिए, और फिर आकाशगंगा के बाहर स्रोतों से आने वाली अधिक शक्तिशाली किरणों को रास्ता देना चाहिए जो हमारे मिल्की वे में नहीं मिल सकते हैं, और जो स्वयं एक आकाशगंगा के आकार का हो सकता है। हालांकि, माप में प्राप्त "टखने" 5 ईईवी के क्षेत्र में हैं, जो कि गेलेक्टिक कॉस्मिक किरणों के लिए सैद्धांतिक अधिकतम से अधिक परिमाण का एक क्रम है। कोई नहीं जानता कि ऐसा क्यों है।

टखने के बाद, लगभग 60 ईईवी में, रेखा शून्य पर जाना शुरू करती है, एक पैर की अंगुली की तरह कुछ खींचती है। यह शायद GZK की सीमा है, जिसके परे कॉस्मिक किरणें पृष्ठभूमि विकिरण के साथ बातचीत करते समय जल्दी से ऊर्जा खो देती हैं। इस सीमा का अस्तित्व, जिसे कैम्पेर्ट कॉस्मिक किरणों के बारे में "केवल स्पष्ट भविष्यवाणी" कहता है, की पुष्टि डिटेक्टर द्वारा फ्लाई ऑफ़ आई के बाद की गई थी जिसे हाई रेजोल्यूशन फ्लाई की आई, हायोएस कहा जाता है। इस स्थिति से, ऊर्जा स्पेक्ट्रम सुपर-जीजेडके कणों की एक पतली धारा में घट जाता है, और 320 ईईवी पर एक बिंदु - "आराध्य" के साथ समाप्त होता है।

GZK सीमा की उपस्थिति से पता चलता है कि भौतिकी के नियम अपेक्षा के अनुरूप काम करते हैं। कण जो इस सीमा को पार कर चुके हैं, वे उनका खंडन नहीं करते हैं, लेकिन बस करीब-करीब उड़ जाते हैं, और पृष्ठभूमि विकिरण ने उनकी ऊर्जा को छीनने का प्रबंधन नहीं किया है। लेकिन वे कहां से और कैसे आए? 20 वर्षों तक ऐसा लगता था कि कण हर जगह और कहीं से भी आए। लेकिन अंत में, उत्तरी गोलार्ध में एक "गर्म स्थान" की खोज की गई।

वार्मर

यूटा में, पहले "आइज़ ऑफ़ द फ्लाई" से तीन घंटे की ड्राइव पर इसका नवीनतम वंशज, 762-वर्ग-किलोमीटर डिटेक्टर सरणी है। जिसे टेलीस्कोप ऐरे कहा जाता है। इस प्रयोग ने 2008 से अरबों कॉस्मिक कणों के पारित होने पर नज़र रखी है। "हम वर्षों से गर्म स्थान के सांख्यिकीय महत्व में वृद्धि देख रहे हैं," गॉर्डन थॉमसन, यूटा विश्वविद्यालय में भौतिकी और खगोल विज्ञान के प्रोफेसर और टीए के प्रवक्ता ने कहा।


57 ईवीवी पर बार को पार करने वाली 87 कॉस्मिक किरणों में से 27% आकाशीय क्षेत्र के 6% क्षेत्र से आईं

नक्षत्र उरासा मेजर में एक केंद्र के साथ ट्रांस-जीजेडके किरणों का गर्म स्थान शुरू में दिलचस्पी का नहीं था। लेकिन पिछले एक साल में, यह 4 सिग्मा के सांख्यिकीय महत्व तक पहुंच गया है, अर्थात्, यह वास्तविक है कि 99.994% है। आधिकारिक तौर पर खोज की घोषणा करने के लिए थॉमसन और टीम को 5 सिग्मा के मूल्य तक पहुंचना चाहिए (उन्हें उम्मीद है कि यह जून में होगा)।

"यह रोमांचक है," लिंडेन कहते हैं। अतिरिक्त डेटा उन्हें गर्म स्थान के स्थान को निर्धारित करने में मदद करेगा (अब यह आकाशगंगा में और पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में कॉस्मिक किरणों के विचलन के कारण धुंधला हो गया है)। अदृश्य गोरिल्ला जल्द ही भौतिक हो जाएगा।

इस बीच, ब्याज के कुछ कण आइसक्यूब सेंसरों में जमा हो जाते हैं, दक्षिण ध्रुव के नीचे जमा क्यूबिक किलोमीटर बर्फ। 4 वर्षों के लिए, आइसक्यूब ने न्यूट्रिनोस के दुर्लभ निशान को ट्रैक किया है जो कि मुश्किल से बातचीत करते हैं लेकिन पूरे ब्रह्मांड में बहुतायत में पाए जाते हैं।

कभी-कभी न्यूट्रिनो एक आइसक्यूब से गुजरने वाले परमाणुओं के साथ बातचीत करते हैं, और इस प्रक्रिया के दौरान होने वाले विकिरण का पता लगाया जा सकता है। उनकी गति की दिशा एक नया ब्रह्मांडीय मानचित्र खींचती है, जिसकी तुलना उच्च-ऊर्जा किरणों और प्रकाश के मानचित्रों से की जा सकती है। 2013 में, IceCube के शोधकर्ताओं ने 0.001 EeV की ऊर्जा के साथ उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो की पहली जोड़ी के अवलोकन की घोषणा की, जिसे उन्होंने बर्ट और एर्नी कहा। वे जहाँ से उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणें आ सकती हैं। न्यूट्रीनो का अन्य किरणों पर एक फायदा है - उनके पास कोई शुल्क नहीं है, इसलिए वे हमेशा एक सीधी रेखा में उड़ते हैं।


आइसक्यूब न्यूट्रिनो वेधशाला

54 बहुत उच्च ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो, जो आइसक्यूब के संचालन के दौरान खोजे गए थे, उनमें से चार ने "गर्म" क्षेत्र से उड़ान भरी थी। जैसे कि लिंडेन ने इसे "सहसंबंध का संकेत" कहा: चूंकि न्यूट्रिनो कॉस्मिक किरणों की तुलना में तेजी से यात्रा करते हैं, इसलिए उनका सामान्य स्रोत कई वर्षों तक हमारे ऊर्जावान कणों का उत्सर्जन कर सकता है। वैज्ञानिकों ने गामा-रे फटने जैसे अल्पकालिक स्रोतों को त्याग दिया है और लंबे समय तक रहने वाली प्रक्रियाओं पर विचार कर रहे हैं - उदाहरण के लिए, नवजात सितारों के साथ एक आकाशगंगा और केंद्र में एक सुपरमैसिव ब्लैक होल। "अगले कुछ वर्षों में, हम अधिक न्यूट्रिनो को पकड़ेंगे और सहसंबंध के लिए जांच करेंगे," लिंडेन कहते हैं।

ब्रह्मांडीय विकिरण और न्यूट्रिनो के साथ, वैज्ञानिक गामा विकिरण का भी अध्ययन करते हैं। एरिज़ोना में नामीबिया और VERITAS (वेरी एनर्जेटिक रेडिएशन इमेजिंग टेलीस्कोप ऐरे सिस्टम) में एचईएस (हाई एनर्जी स्टीरियोस्कोपिक सिस्टम) परियोजनाओं द्वारा उनका अध्ययन किया जा रहा है, जहाँ वही कीडा जो फ्लाई प्रोजेक्ट के आई में भाग लेते थे, काम कर रहे हैं। तीन घटनाओं के संयोजन को ब्रह्मांड में सबसे शक्तिशाली कण त्वरक की छवि का पता लगाने और स्पष्ट करने में मदद करनी चाहिए।

थॉमसन शर्त लगाने के लिए तैयार है कि ये आकाशगंगाएं और डार्क मैटर " गेलेक्टिक फिलामेंट्स " कहे जाने वाली श्रृंखलाएं होंगी - ब्रह्मांड की सबसे बड़ी संरचनाएं, जिनकी लंबाई लाखों-करोड़ों प्रकाश वर्ष है। वह कहते हैं कि वैज्ञानिकों के पास अध्ययन करने के लिए कई "दिलचस्प स्थान" हैं, जिन्हें आपको केवल अधिक डेटा एकत्र करने की आवश्यकता है।

कुंड खोदो

वेधशाला से कैम्पर। पियरे ऑगर दूसरी ओर उच्च-ऊर्जा कणों के मुद्दे पर पहुंचता है। वह पूछता है: "वे क्या पसंद कर रहे हैं?"


विक्टर हेस ने ब्रह्मांडीय विकिरण की खोज की, जो एक गुब्बारे में उभर रहा था।

कुछ खगोल भौतिकविज्ञानी ऑस्कर ऑब्जर्वेटरी को "अशुभ" मानते हैं। यह 3,000 वर्ग किलोमीटर में स्थित है। अर्जेंटीना के क्षेत्रों में, यह टेलीस्कोप के ऐरे की तुलना में बहुत अधिक डेटा एकत्र करता है, लेकिन दक्षिणी गोलार्ध में किसी भी "गर्म स्थान" का पता नहीं लगा सकता है। उसने अल्फा सेंटौरी आकाशगंगा की कोर की दिशा में ट्रांस-जीजेडके किरणों की एक छोटी राशि का सबूत इकट्ठा किया। लेकिन शायद वह अभी भी आत्मविश्वास के साथ गर्म स्थान को इंगित करने के लिए पर्याप्त डेटा एकत्र करने में सक्षम नहीं है। यह संभव है कि डेटा की कमी अपने आप में एक दिलचस्प रहस्य है।

"हमारे पास बहुत अधिक डेटा है, और हम ऐसा कुछ भी नहीं देखते हैं," सोमरस कहते हैं, जिन्होंने ऑस्टर ऑब्जर्वेटरी को डिजाइन और व्यवस्थित करने में मदद की। - यह सिर्फ आश्चर्यजनक है। 80 के दशक में, मैं इस तथ्य पर बहुत पैसा लगाऊंगा कि इस तरह के आंकड़ों से हमें स्पष्ट हॉट स्पॉट और पैटर्न मिलते हैं। यह आश्चर्यजनक है। ”

इसके अलावा, कॉस्मिक किरण स्पेक्ट्रम के अंत में भारी नाभिक के क्षेत्र में ग्राफ एक सुराग के रूप में काम कर सकता है। जैसे सुपरनोवा स्पेक्ट्रम के "घुटनों" से आगे प्रोटॉन को तेज करता है, और इस सीमा से परे केवल भारी नाभिकों को तेज कर सकता है - यह भी है कि ब्रह्मांड में सबसे शक्तिशाली त्वरक कैसे व्यवहार करते हैं। वैज्ञानिक ब्रह्मांडीय किरण स्पेक्ट्रम के वास्तविक अंत का अवलोकन कर सकते हैं - वे बिंदु जहां प्रोटॉन, और फिर हीलियम, कार्बन और लोहा, अपने अधिकतम तक पहुंचते हैं।

सिद्धांतकार अभी भी यह कल्पना करने की कोशिश कर रहे हैं कि कैसे त्वरक के लिए उम्मीदवार 200 ईईवी को कणों को गति देते हैं, या, "आराध्य" के एक कण के रूप में 320 - भले ही यह एक लोहे का कण था।

एक कण के पंजीकरण के तथ्य को प्रश्न में कहा जाता है। 90 के दशक की शुरुआत में, सोमरस, अस्थायी रूप से यूटा विश्वविद्यालय में कार्यरत थे, 320 ईईवी पर सिग्नल विश्लेषण के साथ मदद की। और हालांकि उस समय के मानकों के अनुसार सब कुछ बहुत अच्छी तरह से मापा गया था, उस समय "आई ऑफ द फ्लाई" "मोनोक्युलर" था - आंख का दूसरा हिस्सा केवल पूरा हो रहा था। उनके पास उनके अनुयायियों की सटीकता और जानकारी का अभाव था। सोमरस का दावा है कि हालांकि संदेह का कोई विशेष कारण नहीं है, फिर भी संदेह अभी भी बना हुआ है। आधुनिक होने के बाद से, अधिक सटीक प्रयोगशालाएं ऐसी ऊर्जा के साथ कुछ भी नहीं पकड़ सकती थीं।

दूसरी ओर, "आराध्य" कण की ऊर्जा की गणना करते समय, कोई दूसरी दिशा में गलती कर सकता है। और किसी भी मामले में, इस तथ्य ने जीजेडके सीमा से अधिक ऊर्जा वाले कणों के आगे के अध्ययन को प्रेरित किया। लेकिन, भले ही इसकी ऊर्जा की गणना त्रुटिपूर्ण थी, अब किसी को इसके बारे में पता नहीं होगा।