Produksi pancaran sinar kosmik, diproduksi oleh partikel yang sangat energik dari jauh Tata Surya kita. Kredit gambar: Pierre Auger Observatory, via http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/.

Apa partikel paling energetik di Semesta?

Lebih dari sejuta kali apa yang kami buat di LHC, ini bisa menjadi kunci utama untuk alam.

"Energi adalah materi terbebaskan, materi adalah energi yang menunggu untuk terjadi." –Bill Bryson

Anda mungkin berpikir akselerator partikel terbesar dan paling kuat di dunia - tempat-tempat seperti SLAC, Fermilab dan Large Hadron Collider - sebagai sumber energi tertinggi yang pernah kita lihat. Tapi semua yang pernah kita lakukan di Bumi ini sama sekali tidak ada di Alam Semesta itu sendiri! Bahkan, jika Anda tertarik pada partikel paling energik di Bumi, melihat Large Hadron Collider - pada tabrakan 13 TeV yang terjadi di dalam - Anda bahkan tidak akan dekat dengan energi tertinggi. Tentu, itu adalah energi buatan manusia tertinggi untuk partikel, tetapi kita terus-menerus dihujani oleh partikel jauh, jauh lebih besar dalam energi dari kedalaman ruang itu sendiri: sinar kosmik.

Ilustrasi proses energi yang sangat tinggi di Semesta: ledakan sinar gamma. Kredit gambar: NASA / D. Berry.

Anda tidak perlu berada di ruang angkasa, atau bahkan memiliki jenis penerbangan apa pun, untuk mengetahui bahwa partikel-partikel ini ada. Bahkan sebelum manusia pertama meninggalkan permukaan bumi, diketahui secara luas bahwa di atas sana, di atas perlindungan atmosfer bumi, ruang angkasa dipenuhi dengan radiasi energi tinggi. Bagaimana kami tahu?

Petunjuk pertama datang dari melihat salah satu eksperimen listrik paling sederhana yang dapat Anda lakukan di Bumi, yang melibatkan elektroskop. Jika Anda belum pernah mendengar tentang elektroskop, itu adalah alat sederhana: ambil dua keping tipis konduksi, kertas logam, letakkan dalam ruang hampa udara dan hubungkan ke konduktor di bagian luar yang dapat Anda kendalikan dengan muatan listrik.

Muatan listrik pada elektroskop, tergantung pada apa yang Anda isi dengan, dan bagaimana daun di dalamnya merespons. Kredit gambar: Gambar 16–8 dari halaman Boomeria's Honours Physics, melalui http://boomeria.org/physicstextbook/ch16.html.

Jika Anda menempatkan muatan listrik pada salah satu perangkat ini - di mana dua daun logam penghantar terhubung ke konduktor lain - kedua daun akan mendapatkan muatan listrik yang sama, dan hasilnya saling tolak satu sama lain. Anda akan mengharapkan, seiring waktu, agar muatan menghilang ke udara di sekitarnya, yang memang demikian. Jadi, Anda mungkin memiliki ide cemerlang untuk mengisolasinya selengkap mungkin, mungkin menciptakan ruang hampa di sekitar elektroskop setelah Anda mengisi daya.

Tetapi bahkan jika Anda melakukannya, elektroskop masih secara perlahan melepaskan! Bahkan, bahkan jika Anda menempatkan pelindung timah di sekeliling ruang hampa udara, itu masih akan keluar, dan eksperimen di awal abad ke-20 memberi kita petunjuk mengapa: jika Anda pergi ke ketinggian yang lebih tinggi dan lebih tinggi, pelepasan terjadi lebih cepat. Beberapa ilmuwan mengajukan hipotesis bahwa pelepasan itu terjadi karena radiasi berenergi tinggi - radiasi dengan daya tembus sangat besar dan asal ekstraterestrial - bertanggung jawab untuk ini.

Victor Hess dalam eksperimen ray kosmiknya yang ditanggung balon. Kredit gambar: American Physical Society.

Nah, Anda tahu kesepakatannya ketika datang ke sains: jika Anda ingin mengkonfirmasi atau menyangkal ide baru Anda, Anda mengujinya! Jadi pada tahun 1912, Victor Hess melakukan eksperimen-eksperimen yang ditularkan balon untuk mencari partikel-partikel kosmik berenergi tinggi ini, segera menemukannya dalam kelimpahan besar dan selanjutnya menjadi bapak sinar kosmik.

Detektor awal sangat luar biasa dalam kesederhanaannya: Anda mengatur semacam emulsi (atau lebih lambat, ruang awan) yang sensitif terhadap partikel bermuatan melewatinya dan menempatkan medan magnet di sekitarnya. Ketika partikel bermuatan masuk, Anda dapat mempelajari dua hal yang sangat penting:

  • Rasio muatan terhadap massa partikel dan
  • kecepatannya,

hanya tergantung pada bagaimana kurva jalur partikel, sesuatu yang mati gratis selama Anda tahu kekuatan medan magnet yang Anda terapkan.

Kredit gambar: Paul Kunze, dalam Z. Phys. 83 (1933), dari acara muon pertama di tahun 1932.

Pada 1930-an, sejumlah percobaan - baik pada akselerator partikel terestrial awal maupun melalui detektor sinar kosmik yang lebih canggih - menghasilkan beberapa informasi menarik. Sebagai permulaan, sebagian besar partikel sinar kosmik (sekitar 90%) adalah proton, yang datang dalam berbagai energi, dari beberapa mega-elektron-Volts (MeV) sampai dengan setinggi yang dapat diukur. oleh peralatan yang dikenal! Sebagian besar sisanya adalah partikel alfa, atau inti helium dengan dua proton dan dua neutron, dengan energi yang sebanding dengan proton.

Ilustrasi sinar kosmik yang menyerang atmosfer Bumi. Kredit gambar: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

Ketika sinar kosmik ini mengenai bagian atas atmosfer Bumi, mereka berinteraksi dengannya, menghasilkan reaksi berjenjang di mana produk dari setiap interaksi baru menyebabkan interaksi selanjutnya dengan partikel atmosfer baru. Hasil akhirnya adalah penciptaan apa yang disebut hujan partikel berenergi tinggi, termasuk dua yang baru: positron - dihipotesiskan pada 1930 oleh Dirac, mitra antimateri elektron dengan massa yang sama tetapi bermuatan positif - dan muon, partikel yang tidak stabil dengan muatan yang sama dengan elektron tetapi 206 kali lebih berat! Positron ditemukan oleh Carl Anderson pada tahun 1932 dan muon olehnya dan muridnya Seth Neddermeyer pada tahun 1936, tetapi acara muon pertama ditemukan oleh Paul Kunze beberapa tahun sebelumnya, yang sepertinya telah dilupakan sejarah!

Salah satu hal yang paling menakjubkan adalah bahwa bahkan di sini di permukaan bumi, jika Anda mengulurkan tangan sehingga sejajar dengan tanah, sekitar satu muon melewatinya setiap detik.

Kredit gambar: Konrad Bernlöhr dari Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir.

Setiap muon yang melewati tangan Anda berasal dari pancaran sinar kosmik, dan setiap satu yang melakukannya adalah pembenaran teori relativitas khusus! Anda lihat, muon ini dibuat pada ketinggian tipikal sekitar 100 km, tetapi masa hidup rata-rata muon hanya sekitar 2,2 mikrodetik! Bahkan bergerak dengan kecepatan cahaya (299.792,458 km / detik), sebuah muon hanya akan berjalan sekitar 660 meter sebelum meluruh. Namun karena pelebaran waktu - atau fakta bahwa partikel-partikel yang bergerak mendekati kecepatan cahaya mengalami waktu yang berlalu dengan lebih lambat dari sudut pandang pengamat luar stasioner - muon yang bergerak cepat ini dapat melakukan perjalanan jauh ke arah permukaan Bumi sebelum mereka membusuk, dan dari situlah muon di Bumi berasal!

Maju cepat hingga hari ini, dan ternyata kita telah secara akurat mengukur kelimpahan dan spektrum energi dari partikel-partikel kosmik ini!

Spektrum sinar kosmik. Kredit gambar: Hillas 2006, preprint arXiv: astro-ph / 0607109 v2, via University of Hamburg.

Partikel dengan nilai energi sekitar 100 GeV dan di bawahnya sejauh ini adalah yang paling umum, dengan sekitar satu partikel 100 GeV (yaitu 10¹¹ eV) yang mengenai setiap penampang meter persegi wilayah ruang lokal kami setiap detik. Meskipun partikel berenergi lebih tinggi masih ada, mereka jauh lebih jarang seperti yang kita lihat pada energi yang lebih tinggi dan lebih tinggi.

Misalnya, saat Anda mencapai 10.000.000 GeV (atau 10¹⁶ eV), Anda hanya mendapatkan satu per meter persegi setiap tahun, dan untuk energi tertinggi, yang pada 5 × 10¹⁰ GeV (atau 5 × 10¹⁹ eV ), Anda perlu membangun detektor persegi yang mengukur sekitar 10 kilometer pada satu sisi hanya untuk mendeteksi satu partikel energi itu per tahun!

Cara mendeteksi pancaran sinar kosmik: bangun larik raksasa di tanah untuk - mengutip Pokemon - menangkap semuanya. Kredit gambar: ASPERA / G.Toma / A.Saftoiu.

Sepertinya ide yang gila, bukan? Ia meminta investasi besar sumber daya untuk mendeteksi partikel yang sangat langka ini. Namun ada alasan yang sangat menarik yang ingin kami lakukan: harus ada pemutusan energi sinar kosmik, dan batas kecepatan proton di Semesta! Anda lihat, mungkin tidak ada batasan untuk energi yang dapat kita berikan kepada proton di Alam Semesta: Anda dapat mempercepat partikel bermuatan menggunakan medan magnet, dan lubang hitam terbesar dan paling aktif di Semesta dapat menimbulkan proton dengan energi yang bahkan lebih besar dari yang kami amati!

Tetapi mereka harus melakukan perjalanan melalui Semesta untuk mencapai kita, dan Semesta - bahkan dalam kekosongan ruang yang dalam - tidak sepenuhnya kosong. Sebaliknya, itu diisi dengan sejumlah besar radiasi dingin, energi rendah: latar belakang gelombang mikro kosmik!

Ilustrasi latar belakang radiasi di berbagai pergeseran merah di Semesta. Kredit gambar: Bumi: NASA / BlueEarth; Bimasakti: ESO / S. Brunier; CMB: NASA / WMAP.

Satu-satunya tempat di mana partikel-partikel energi tertinggi diciptakan adalah di sekitar lubang hitam aktif yang paling masif di Semesta, yang semuanya jauh melampaui galaksi kita sendiri. Dan jika partikel dengan energi lebih dari 5 × 10¹⁰ GeV dibuat, mereka hanya dapat menempuh beberapa juta tahun cahaya - maks - sebelum salah satu foton ini, yang tersisa dari Big Bang, berinteraksi dengannya dan menyebabkannya menghasilkan pion , memancarkan energi berlebih dan jatuh ke batas energi kosmis teoretis ini, yang dikenal sebagai cutoff GZK. Bahkan ada lebih banyak radiasi pengereman - atau radiasi Bremsstrahlung - yang muncul dari interaksi dengan partikel apa pun di media antarbintang / intergalaksi. Bahkan partikel berenergi lebih rendah pun tunduk padanya, dan memancarkan energi jauh berbondong-bondong ketika pasangan elektron / positron (dan partikel lainnya) diproduksi. (Lebih detail di sini.)

Jadi kami melakukan satu-satunya hal yang masuk akal untuk dilakukan oleh fisikawan: kami membangun detektor yang sangat besar dan terlihat, dan melihat apakah ada cutoff ini!

Detektor sinar kosmik terbesar di dunia. Kredit gambar: Observatorium Pierre Auger di Malargüe, Argentina / Case Western Reserve U.

Pierre Auger Observatory telah melakukan hal ini, memverifikasi bahwa sinar kosmik ada hingga tetapi tidak melebihi ambang energi tinggi ini, faktor literal sekitar 10.000.000 lebih besar dari energi yang dicapai di LHC! Ini berarti proton tercepat yang pernah kita lihat bukti di Alam Semesta bergerak hampir dengan kecepatan cahaya, yang tepatnya 299.792.458 m / s, tetapi hanya sedikit lebih lambat. Seberapa lambat?

Proton tercepat - yang ada di cutoff GZK - bergerak pada 299.792.457.999999999999918 meter per detik, atau jika Anda mengendarai foton dan salah satu proton ke galaksi Andromeda dan kembali, foton akan tiba enam detik lebih cepat dari pada proton akan ... setelah perjalanan lebih dari lima juta tahun! Tetapi sinar kosmik berenergi sangat tinggi ini tidak berasal dari Andromeda (kami percaya); mereka berasal dari galaksi aktif dengan lubang hitam supermasif seperti NGC 1275, yang cenderung ratusan juta atau bahkan milyaran tahun cahaya.

Galaxy NGC 1275, sebagaimana dicitrakan oleh Hubble. Kredit gambar: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA).

Kita bahkan tahu - terima kasih kepada Penjelajah Batas Antarbintang NASA (IBEX) - bahwa ada sekitar 10 kali lebih banyak sinar kosmik di luar sana di ruang angkasa saat kita mendeteksi di sini dan di sekitar Bumi, karena heliosheath Matahari melindungi kita dari mayoritas luas. dari mereka! (Meskipun Matahari melakukan pekerjaan terburuk untuk melindungi kita dari partikel paling energik.) Secara teori, ada tabrakan yang terjadi di mana-mana di ruang angkasa antara sinar kosmik ini, dan dengan demikian dalam arti kata yang sangat nyata, Semesta itu sendiri adalah tujuan utama kita. Large Hadron Collider: hingga sepuluh juta kali lebih energik daripada yang dapat kita lakukan di Bumi. Dan ketika kita akhirnya mencapai batas apa yang dapat dilakukan oleh eksperimen collider di Bumi, itu akan kembali ke teknik yang sama dengan yang kita gunakan pada hari-hari awal percobaan ray kosmik.

Tampilan eksterior ISS dengan AMS-02 terlihat di latar depan. Kredit gambar: NASA.

Ini akan kembali ke ruang angkasa, untuk menunggu dan melihat apa yang disampaikan Alam Semesta kepada kita, dan untuk mendeteksi akibat dari tabrakan kosmik paling energik dari semua.

Posting ini pertama kali muncul di Forbes, dan dibawa kepada Anda bebas iklan oleh para pendukung Patreon kami. Komentari di forum kami, & beli buku pertama kami: Beyond The Galaxy!