Cząstka O-mój-Boże. Piotr Pastusiak

Jak wiadomo „pusta” przestrzeń kosmiczna wypełniona jest ogromną liczbą wysokoenerge-

tycznych cząstek, zwykle fotonów, neutrin, elektronów i protonów, które nieustannie bombardują

górne warstwy atmosfery. Znacząca część tych cząstek pochodzi ze Słońca i jest składnikiem wiatru

słonecznego, który jest nieustająco emitowany przez naszą gwiazdę. W skład wiatru słonecznego

wchodzą przede wszystkim elektrony o energii 500eV oraz protony o energiach rzędu 1GeV. Natę-

żenie wiatru słonecznego jest zmienne i jest funkcją 11-sto letniej cyklicznej zmienności aktywności

Słońca. W okresach maksimum aktywności słonecznej strumień wiatru słonecznego jest większy niż

w okresach spokoju. Jako ciekawostkę można przytoczyć fakt, że średnio Słońce traci milion ton

swojej masy na sekundę w wyniku emisji wiatru słonecznego oraz to, że prędkość cząstek wynosi od

200 do 900 km/s. Wiatr słoneczny jest szczególnie groźny podczas koronalnych wyrzutów masy

(CME) skierowanych w kierunku naszej planety, kiedy to wybuchy na powierzchni Słońca wyrzucają

strumień wysokoenergetycznych elektronów i protonów w przestrzeń międzyplanetarną. Zjawiska te

są niebezpieczne. Mogą wywoływać awarię systemów łączności, systemów energetycznych oraz mieć

niekorzystny wpływ na organizmy żywe . Na szczęście Ziemia chroniona jest tarczą pola magnetycz-

nego i większość cząstek nie dociera do powierzchni ale jest kierowana na obszary podbiegunowe

gdzie wywołują zjawisko zorzy polarnej. Niemniej konieczne jest ciągłe monitorowanie aktywności

słonecznej zwłaszcza, gdy na orbicie znajdują się astronauci, dla których konsekwencje wywołane

wiatrem słonecznym mogą być niebezpieczne.

Koronalny wyrzut masy z 31 sierpnia 2012 roku.

(NASA Goddard Space Flight Center)

Zorza polarna obserwowana w Norwegii. Kolory zorzy są wynikiem oddziaływania wysoko energetycznych protonów z

atomami tlenu i azotu w górnych warstwach atmosfery. (fot. Tiina Törmänen)

Wiatr słoneczny nie jest jednak jedynym

zjawiskiem przykuwającym uwagę naukow-

ców. Okazuje się, że oprócz cząsteczek po-

chodzących ze Słońca, Ziemia jest bombar-

dowana strumieniem cząstek bardzo i ultra

wysokich energii (VHE i UHE). Cząstki te

nazywamy promieniowaniem kosmicznym,

z ściślej pierwotnym promieniowaniem ko-

smicznym (PK). W jego skład wchodzą pro-

tony, cząstki alfa, jądra innych lekkich pier-

wiastków oraz bardzo niewielka ilość jąder

pierwiastków o średnich masach; obserwuje

się także pierwotne elektrony, fotony i zni-

komą ilość cząstek neutralnych. Ich energia

w porównaniu z wiatrem słonecznym jest

olbrzymia i jest rzędu 1-1012

GeV. Ze

względu na tak dużą energię źródłem tych cząstek nie może być Słońce. Spekuluje się, że źródłem

promieniowania UHE są aktywne jądra galaktyk i kwazarów, wybuch super i hipernowych czy roz-

błyski gamma (GRB). Dużą rolę w ich pochodzeniu może mieć mechanizm Fermiego w falach ude-

rzeniowych po wybuchach supernowych. Jednak na chwilę obecną geneza PK nie jest w pełni znana.

Pierwotne promieniowanie kosmiczne nie jest rejestrowane bezpośrednio. Rejestrowane są jego efekty

Galaktyka Centaurus A jest jednym z możliwych źródeł PK.

(fot. ESA)

oddziaływania z atomami zawartymi w atmosferze. Wysokoenergetyczna cząstka PK zderzając się z

atomem powoduje powstanie innych cząstek – głównie neutronów, mionów, pionów, neutrin i par e- -

e+

- tworzących w atmosferze tak zwany pęk atmos-

feryczny, którego cząsteczki docierające na po-

wierzchnię mogą być rejestrowane i poddawane

analizie.

Co ma wspólnego tytuł artykułu z promieniowaniem

kosmicznym? Otóż mianem cząstki O-mój-Boże

została określona cząsteczka UHE o największej do

tej pory zarejestrowanej energii. Cząsteczka ta, naj-

prawdopodobniej będąca protonem, została zareje-

strowana 15 października 1991 roku przez obserwa-

torium promieniowania kosmicznego Fly’s Eyes II

zlokalizowany niedaleko Salt Lake City. Jej energia

wynosiła1 co

w skali subatomowej jest energią gigantyczną. Dla

porównania największy akcelerator z jakiego mo-

żemy obecnie korzystać LHC w CERN pozwala na

rozpędzenie cząstki do energii 7TeV (1µJ), czyli 10

milionów razy mniejszej. Korzystając z tych danych obliczmy prędkość z jaką poruszała się ta cząst-

ka. Energia cząstki dana jest wzorem:

√

Wzór ten możemy łatwo zapisać jako:

0

21

mm

W celu obliczenia β wystarczy przekształcić ten wzór do postaci:

2

01m

m

1 Physical Review Letters, 22 November 1993

Korzystając z danych 2

0 938,27 /m MeV c oraz 14 23,2 10 /m MeV c dostajemy

2

0.9999999999999999999999957

Oznacza to, że cząstka O-mój-Boże poruszała się z prędkością 99,99999999999999999999957 pro-

centa prędkości światła. Relatywistyczna masa tej cząsteczki, choć była protonem wynosiła, jak łatwo

obliczyć:

16 13

25,7 10 10

Em kg g

c

Oznacza to, że relatywistyczna masa protonu UHE była porównywalna z masą najmniejszej znanej

bakterii Prochlorococcus3. Ciekawe jest też rozważenie relatywistycznego spowolnienia czasu. Czas

własny protonu (w układzie jego spoczynku) płynie o czynnik 2

1

1

wolniej niż dla obserwa-

tora zewnętrznego. Dla naszej cząstki spowolnienie czasu wzrasta o wartość 113,41 10 oznacza

to, że jeżeli podróżowalibyśmy razem z protonem to jedna nasza sekunda odpowiadałaby około 11000

lat dla obserwatora na Ziemi.

Czy cząstki pokroju protonu O-mój-Boże są ewenementem? Naukowcy twierdzą, że nie i ta-

kich a być może i bardziej energetycznych cząstek jest dużo tylko nie wszystkie trafiają w Ziemię czy

są rejestrowane. Udało się też zaobserwować cząstkę o energii ok. 20J. Oznacza to, że konieczne jest

wzmożenie badań nad PK UHE poprzez rozbudowę detektorów. Poznanie tych cząstek bliżej przy-

czyni się niewątpliwie do poznania mechanizmów rządzących we Wszechświecie.

2 Precyzyjne obliczenia wykonano na stronie WolframAlpha (http://www.wolframalpha.com)

3 Prochlorococcus, http://en.wikipedia.org/wiki/Prochlorococcus, 2014-02-14