Clever Geek Handbook

Rekor kecepatan pemecahan partikel ruang

gambar

Pada malam 15 Oktober 1991, sebuah partikel yang disebut Oh-My-God memotong langit di atas Utah .

Itu adalah radiasi kosmik, yang mengandung 320 exelectron-volts (10 18 eV) energi - satu juta kali lebih banyak daripada yang dapat dicapai oleh partikel-partikel di Large Hadron Collider. Partikel memiliki kecepatan sedemikian rupa sehingga, jika bersaing dengan cahaya, itu akan menjadi 1/1000 dari ketebalan rambut di belakangnya dalam setahun. Ada begitu banyak energi di dalamnya seolah-olah Anda akan menjatuhkan bola bowling di jari Anda - hanya di bola bowling ada atom sebanyak yang ada bintang di langit. "Tidak ada yang menyangka bahwa banyak energi dapat didorong ke dalam satu partikel," kata David Kieda, seorang astrofisika di Universitas Utah.

Lima mil dari tempat partikel itu jatuh, di puncak gunung yang sepi di gerbong tua tinggal tikus dan bekerja sebagai peneliti. Sesaat sebelum acara, saat matahari terbenam, Mengzhi Luo, dijuluki "Stephen," menyalakan komputer detektor Fly's Eye. Ini adalah array dari selusin cermin bulat yang terletak di tanah kosong. Setiap cermin dipasang di dalam "kaleng" yang terbuat dari pipa saluran pembuangan dan melihat ke bawah pada siang hari sehingga sensor sensitifnya tidak menderita radiasi matahari. Dengan awal kegelapan, pada malam yang cerah dan tanpa bulan, Luo memutar kaleng-kaleng yang menghadap ke langit.

"Eksperimen itu masih mentah," kata Kieda, yang bekerja dengan Eye of the Fly bersama dengan Luo dan ilmuwan lainnya. "Tapi yang utama itu berhasil."

gambar
Eye of the fly

Eye of the Fly bekerja di tempat pelatihan militer di gurun di Utah barat dari tahun 1981 hingga 1993. Dia adalah orang pertama yang menggunakan teknologi "fluoresensi udara" untuk menentukan energi dan arah sinar kosmik berenergi tinggi, yang menggunakan cahaya yang dipancarkan oleh molekul nitrogen untuk melewati sinar di atmosfer. Pada tahun 1991, Eye of the Fly menemukan sinar kosmik, yang hingga hari ini dianggap sebagai partikel berenergi tertinggi yang terdeteksi.

Jejak samar partikel Oh-My-God (“Adored” - sebagaimana pendiri Autodesk, John Walker menyebutnya dalam salah satu artikel web awalnya) terlihat di antara Eyes of a Fly musim panas mendatang. Pesan tentang dia muncul hanya setahun kemudian, setelah sekelompok ilmuwan mampu meyakinkan diri sendiri tentang realitasnya. Partikel memecahkan rekor kecepatan yang telah memukulnya selama beberapa dekade. Sebelum ini, itu dipasang oleh partikel yang ditemukan oleh Kenneth Greisen, Georgy Zatsepin dan Vadim Kuzmin - 60 EeV. Mereka percaya bahwa setiap partikel energi yang lebih besar akan kehilangannya dalam interaksi dengan radiasi latar alam semesta. Prinsip kehilangan energi ini, yang disebut "hilangnya GZK", menunjukkan bahwa partikel "Adorable" terbang kepada kita dari objek terdekat - mungkin dari superkluster galaksi kita.Tetapi untuk memperolehnya dibutuhkan akselerator ruang dengan proporsi yang tak terbayangkan. Dan ke arah mana ia terbang, para ilmuwan tidak dapat menemukan sesuatu yang cocok.

"Seolah kamu memiliki gorila tak terlihat di pekaranganmu yang melempar bola bowling ke arahmu," kata Kieda.

Dari mana partikel "Adorable" itu berasal? Bagaimana dia muncul? Dan apakah dia? Pertanyaan-pertanyaan ini mendorong para ilmuwan untuk membangun detektor yang lebih canggih, yang sejak itu telah mencatat ratusan ribu sinar kosmik energi ultra-tinggi lebih dari 1 EeV, termasuk beberapa ratus peristiwa ultra-GZK dengan partikel yang memiliki energi lebih dari 60 EeV (namun, tidak ada satupun yang mencapai 320 EeV).

Partikel-partikel yang mengalahkan rekor GZK dapat memiliki pandangan sekilas ke bidang fisika yang tidak dapat diakses - bahkan mungkin menghubungkan fisika kuantum dengan evolusi ruang. Atau, paling tidak, temukan benda-benda astrofisika yang menakjubkan yang hingga saat itu tampak hanya menunjuk pada lensa teleskop. Namun seiring waktu, penelitian hanya menyebabkan lebih banyak kebingungan. "Sulit untuk menjelaskan temuan, untuk menghubungkannya dengan teori yang ada," kata Paul Sommers, seorang astrofisika di Pennsylvania State University yang mengkhususkan diri dalam sinar kosmik energi tinggi. "Ada masalah dengan hipotesis apa pun."

gambar
Grafik logaritmik fluktuasi sinar kosmik sebagai fungsi energi. Garis memiliki dua tikungan, yang disebut "lutut" dan "pergelangan kaki" dari spektrum

Baru-baru ini, para periset, setelah menemukan "titik panas" di langit, setelah menangkap beberapa partikel berenergi tinggi, para ilmuwan mampu menempuh jalur pemahaman sinar kosmik berenergi tinggi.

Masalah pergelangan kaki


Setiap detik, setiap meter persegi bumi ditembus oleh ribuan sinar kosmik. Dan tidak ada yang menemukan mereka sampai fisikawan Austria Victor Hess naik balon pada tahun 1910. Dia belajar bahwa jumlah radiasi pengion meningkat dengan ketinggian. Dia melakukan pengukuran selama gerhana matahari dan menemukan bahwa sebagian besar radiasi datang kepada kita terlepas dari Matahari. Untuk ini, pada tahun 1936 ia menerima Hadiah Nobel.

Sinar kosmik menembus planet kita dari semua sisi dan memiliki distribusi energi yang lancar. Di permukaan laut, kita mengalami radiasi tingkat rendah, yang berasal dari interaksi sinar dengan atmosfer kita. Kebanyakan sinar adalah proton tunggal, sebagian besar sinar yang tersisa adalah inti yang lebih berat, dan beberapa di antaranya adalah elektron. Sinar dengan lebih banyak energi kurang umum. Yang paling langka di antara mereka, yang memiliki energi lebih dari 1 EEV, jatuh ke kilometer persegi planet ini hanya sekali setiap seratus tahun.

Jika kita memplot jumlah sinar yang melewati detektor sesuai dengan energinya, kita mendapatkan garis dengan kemiringan negatif dan dua tikungan - "lutut" dan "pergelangan kaki". Ekses ini, secara teori, menunjukkan transisi antara sinar yang berbeda sifatnya, atau sinar dari sumber energi yang lebih kuat. Tetapi apa jenis ini, dan sumber mana?

Seperti banyak ahli, Karl-Hayens Kampert, profesor astrofisika dari Universitas Wuppertal di Jerman dan perwakilan dari observatorium. Pierre Auger, pendeteksi sinar ultra-tinggi energi terbesar di dunia, percaya bahwa sinar kosmik dipercepat oleh fenomena yang mirip dengan muncul ketika pesawat beralih ke kecepatan supersonik. "Akselerasi kejutan" adalah "proses mendasar yang terjadi pada skala yang berbeda di alam semesta," kata Campert. Dari suar matahari hingga ledakan bintang, dari pulsar yang berputar cepat hingga radiasi yang berasal dari inti aktif galaksi. Semua ini adalah hasil dari gerakan plasma supersonik, yang mengarah pada munculnya gelombang kejut, yang membentuk lapisan permukaan proton dan partikel lainnya. Partikel-partikel melompat ke dalam gelombang dan dipantulkan dari tepinya, terperangkap di antara medan magnet plasma dan kekosongan ruang kosong. Dan dengan setiap lompatan, partikel memperoleh energi. "Lalu dia pecah," kata Campert, "dan bergerak melalui alam semesta untuk ditangkap oleh sensor."

Tetapi upaya untuk membandingkan berbagai gelombang ledakan dengan spektrum energi sinar kosmik yang diterima membuat para astrofisikawan berada dalam posisi yang sulit. Orang akan mengharapkan "lutut" dan "pergelangan kaki" untuk menandai titik tertinggi di mana proton dan inti dapat diberi energi di dalam gelombang ledakan. Perhitungan menunjukkan bahwa proton mencapai batas pada titik 0,001 EeV - dan memang, ini bertepatan dengan grafik. Nukleus yang lebih berat harus mencapai energi dari urutan 0,1 EeV, dan kemudian memberi jalan kepada sinar yang lebih kuat yang berasal dari sumber di luar galaksi yang tidak dapat ditemukan di Bima Sakti kita, dan yang ukurannya sendiri bisa sebesar galaksi. Namun, "pergelangan kaki" yang diperoleh dalam pengukuran berada di wilayah 5 EeV, urutan besarnya lebih besar dari maksimum teoritis untuk sinar kosmik galaksi. Tidak ada yang tahu mengapa demikian.

Setelah pergelangan kaki, sekitar 60 EEV, garis mulai nol, menggambar sesuatu seperti jari kaki. Ini mungkin adalah batas GZK, di luar itu sinar kosmik cepat kehilangan energi ketika berinteraksi dengan radiasi latar. Keberadaan batas ini, yang oleh Campert disebut sebagai "satu-satunya prediksi yang jelas" yang dibuat tentang sinar kosmik, dikonfirmasi oleh detektor "Eye of the Fly" berikut yang disebut "Mata Lalat Resolusi Tinggi, HiRes". Dari posisi ini, spektrum energi berkurang menjadi aliran tipis partikel super-GZK, dan berakhir pada 320 EeV dengan satu titik - "Adorable".

Kehadiran batas GZK menunjukkan bahwa hukum fisika bekerja seperti yang diharapkan. Partikel yang telah mengatasi batas ini tidak membantahnya, tetapi hanya terbang dekat, dan radiasi latar tidak berhasil mengambil energi mereka. Tapi dari mana mereka datang dan bagaimana? Selama 20 tahun tampaknya partikel datang dari mana-mana dan entah dari mana. Tetapi pada akhirnya, "hot spot" ditemukan di belahan bumi utara.

Lebih hangat


Di Utah, tiga jam perjalanan dari "Eyes of the Fly" pertama adalah turunan terbarunya, rangkaian detektor 762 kilometer persegi. disebut Array Teleskop. Percobaan telah melacak berlalunya miliaran partikel kosmik sejak 2008. "Kami telah mengamati peningkatan dalam statistik pentingnya hot spot selama bertahun-tahun," kata Gordon Thomson, profesor fisika dan astronomi di Universitas Utah dan juru bicara TA.

gambar
Dari 87 sinar kosmik yang melintasi bar di 57 EeV, 27% berasal dari 6% dari area bola langit

Titik panas sinar trans-GZK dengan pusat di rasi Ursa Major pada awalnya tidak menarik. Tetapi selama setahun terakhir, telah mencapai signifikansi statistik 4 sigma, yaitu probabilitas bahwa itu nyata adalah 99,994%. Thomson dan tim harus mencapai nilai 5 sigma untuk mengumumkan penemuan secara resmi (mereka berharap ini akan terjadi pada bulan Juni).

"Ini menyenangkan," kata Linden. Data tambahan akan membantu mereka menentukan lokasi hot spot (sekarang kabur karena penyimpangan sinar kosmik di galaksi dan di medan magnet bumi). Gorila yang tak terlihat akan segera muncul.

Sementara itu, beberapa partikel yang menarik menumpuk di sensor IceCube, satu kilometer kubik es yang disimpan di bawah Kutub Selatan. Selama 4 tahun, IceCube telah melacak jejak neutrino langka yang jarang berinteraksi dengan materi tetapi ditemukan berlimpah di seluruh alam semesta.

Terkadang neutrino berinteraksi dengan atom yang melewati IceCube, dan radiasi yang terjadi selama proses ini dapat dideteksi. Arah gerakan mereka menggambar peta kosmik baru, yang dapat dibandingkan dengan peta sinar dan cahaya berenergi tinggi. Pada 2013, para peneliti dengan IceCube mengumumkan pengamatan pasangan neutrino berenergi tinggi pertama dengan energi 0,001 EeV, yang mereka beri nama "Bert" dan "Ernie". Mereka bisa datang dari mana sinar kosmik berenergi tinggi berasal. Neutrino memiliki keunggulan dibandingkan dengan sinar lain - mereka tidak memiliki muatan, sehingga mereka selalu terbang dalam garis lurus.

gambar
Observatorium IceCube Neutrino

Dari 54 neutrino berenergi sangat tinggi yang ditemukan selama operasi IceCube, empat terbang dari daerah "panas". Seperti, demikian Linden menyebutnya, "sedikit korelasi": karena neutrino bergerak lebih cepat daripada sinar kosmik, sumber umum mereka dapat memancarkan partikel energik kita selama bertahun-tahun. Para ilmuwan telah membuang sumber-sumber jangka pendek seperti semburan sinar gamma dan sedang mempertimbangkan proses yang berumur panjang - misalnya, sebuah galaksi dengan bintang-bintang yang baru lahir dan lubang hitam supermasif di tengahnya. "Dalam beberapa tahun ke depan, kami akan menangkap lebih banyak neutrino dan memeriksa korelasinya," kata Linden.

Seiring dengan radiasi kosmik dan neutrino, para ilmuwan juga mempelajari radiasi gamma. Mereka sedang dipelajari oleh proyek HESS (High Energy Stereoscopic System) di Namibia dan VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) di Arizona, di mana Kieda yang sama yang dulu berpartisipasi dalam proyek Eye of the Fly bekerja. Kombinasi tiga fenomena akan membantu mendeteksi dan mengklarifikasi gambar akselerator partikel paling kuat di alam semesta.

Thomson siap bertaruh bahwa ini akan menjadi rantai galaksi dan materi gelap yang disebut " filamen galaksi " - struktur terbesar di Alam Semesta, memiliki panjang ratusan juta tahun cahaya. Dia mengatakan bahwa para ilmuwan memiliki beberapa "tempat menarik" untuk dipelajari yang mana Anda hanya perlu mengumpulkan lebih banyak data.

Tiriskan kolam


Campert dari observatorium. Pierre Auger mendekati masalah partikel berenergi tinggi. Dia bertanya: "Seperti apa mereka?"

gambar
Victor Hess menemukan radiasi kosmik, naik dalam balon.

Beberapa ahli astrofisika menganggap Observatorium Auger "tidak beruntung." Ini menempati 3.000 km persegi. di bidang Argentina, ia mengumpulkan lebih banyak data daripada Array teleskop, tetapi tidak dapat mendeteksi "hot spot" apa pun di Belahan Bumi Selatan. Dia mengumpulkan bukti sejumlah kecil sinar trans-GZK ke arah inti galaksi Alpha Centauri. Tapi mungkin dia masih tidak bisa mengumpulkan cukup data untuk menunjuk ke hot spot dengan percaya diri. Mungkin saja kekurangan data itu sendiri merupakan misteri yang menarik.

"Kami memiliki banyak data, dan kami tidak melihat hal seperti itu," kata Sommers, yang membantu merancang dan mengatur Auger Observatory. - Ini luar biasa. Pada tahun 80-an, saya berani bertaruh banyak uang pada kenyataan bahwa dengan statistik seperti itu kita mendapatkan titik dan pola yang jelas. Ini mengejutkan. "

Selain itu, grafik di wilayah inti yang lebih berat di ujung spektrum sinar kosmik dapat berfungsi sebagai petunjuk. Sama seperti supernova yang mempercepat proton tidak lebih jauh dari "lutut" spektrum, dan melampaui batas ini hanya inti yang lebih berat yang dapat berakselerasi - ini juga bagaimana akselerator paling kuat di alam semesta berperilaku. Para ilmuwan mungkin mengamati ujung sebenarnya dari spektrum sinar kosmik - titik di mana proton, dan kemudian helium, karbon dan besi, mencapai maksimum.

Para ahli teori masih mencoba membayangkan bagaimana para calon akselerator mempercepat partikel hingga 200 EeV, atau, sebagai partikel "Adorable", hingga 320 - bahkan jika itu adalah partikel besi.

Fakta pendaftaran suatu partikel dipertanyakan. Pada awal 90-an, Sommers, yang sementara waktu dipekerjakan di University of Utah, membantu dengan analisis sinyal pada 320 EeV. Dan meskipun pada saat itu standar semuanya diukur dengan cukup baik, "Eye of the Fly" pada waktu itu adalah "bermata" - bagian kedua dari mata baru saja selesai. Dia tidak memiliki keakuratan dan informasi yang dimiliki para pengikutnya. Sommers mengklaim bahwa meskipun tidak ada alasan khusus untuk ragu, kecurigaan masih ada. Karena modern, laboratorium yang lebih akurat tidak dapat menangkap apa pun dengan energi seperti itu.

Di sisi lain, ketika menghitung energi partikel "Adorable", seseorang bisa membuat kesalahan di arah lain. Dan dalam hal apapun, fakta ini memotivasi studi lebih lanjut tentang partikel dengan energi yang melebihi batas GZK. Tapi, bahkan jika perhitungan energinya salah, sekarang tidak ada yang tahu tentang itu.

More articles:


All Articles