O jednej z najväčších záhad modernej astrofyziky, o časticiach ultravysokých energií, hovoríme s RNDr. Pavlom Bobíkom, PhD. So svojimi kolegami z Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach sa podieľa na experimente, ktorý by mal túto záhadu vyriešiť.
Čo si máme predstaviť pod časticami s ultravysokou energiou?
Myslíme si, že ide o protóny. Môžu to však byť aj jadrá železa, v každom prípade ide o dobre známe častice. No tie, ktoré voláme UHECR (ultra-high-energy cosmic ray) častice, majú naozaj extrémne vysoké energie. Protón s ultravysokou energiou má energiu porovnateľnú s makroskopickými objektmi. Jeho kinetická energia je niekoľko joulov. Ide o kinetickú energiu, akú má zasmečovaná tenisová loptička. Nezdá sa to byť veľké množstvo energie, no uvedomme si, že protón je objekt z mikrosveta. Takých protónov je v tenisovej loptičke veľmi veľa, približne 1025, teda číslo, ktoré si intuitívne predstavíte len veľmi ťažko. Malé zrnko piesku má priemer asi štvrtinu milimetra. V kubickom metri je takých zrniek niekoľko desiatok miliárd. Keby sme chceli získať 1025 zrniek piesku, museli by sme posypať celý povrch zemegule približne 30-centimetrovou vrstvou piesku. Týmto príkladom chcem poukázať na to, aký je protón malý. V prípade UHECR protónu je jeho energia desaťmiliónkrát väčšia, ako sú energie častíc urýchľovaných v LHC urýchľovači v CERN-e.
Ako vieme, že je v nich naozaj tak veľa energie?
To súvisí s tým, ako sme ich objavili a ako ich pozorujeme. Keď UHECR častica prilieta z vesmíru a narazí do molekúl pozemskej atmosféry, začnú sa z týchto zrážok produkovať sekundárne častice. Tie letia v tom istom smere ako pôvodná častica a ďalej sa zrážajú s jadrami molekúl vzduchu. To sa opakuje mnohokrát a počet týchto sekundárnych častíc lavínovito rastie. Vzniká takzvaná časticová spŕška. Na veľkú plochu povrchu Zeme dopadá veľké množstvo častíc tejto spŕšky. Príbeh ich objavu sa začína v 30. rokoch minulého storočia, keď Pierre Auger prišiel na to, že aj na detektoroch častíc vzdialených od seba pár metrov zachytil príchod častíc kozmického žiarenia v rovnaký moment. Objavil tak častice spŕšok prichádzajúcich do jeho detektorov v časoch, ktoré sa od seba líšili o menej než milióntinu sekundy. Častica vytvárajúca spŕšku musela mať vysokú energiu. Nasledujúce desaťročia sa hľadala odpoveď na otázku, aká je najväčšia energia, ktorú môže mať primárna častica. Jon Linsley v roku 1962 pri svojom experimente na Volcano Ranch zaregistroval spŕšku, v ktorej päť miliárd častíc dopadlo na plochu niekoľkých štvorcových kilometrov. Ukázalo sa, že častica, ktorá vytvorila túto spŕšku, musela mať energiu v rádoch joulov, čo pri rozmere protónu predstavuje obrovskú energiu.
Akú najenergetickejšiu časticu doteraz vedci zaregistrovali?
Na začiatku 90. rokov experiment Fly’s eye (v preklade Mušie oko), zaregistroval takzvanú Oh-My-God časticu s energiou 51 joulov. Častica, v preklade Ó, môj Bože, ukazuje na relativistické vlastnosti týchto častíc.
Relativistické vlastnosti častíc…
To, že tieto častice majú na svoju hmotnosť extrémne veľa energie, znamená, že sú mimoriadne rýchle. Inak povedané, sú mimoriadne relativistické. Protón s energiou 51 J má rýchlosť rovnajúcu sa 0,999 999 999 999 999 999 999 995 1 rýchlosti svetla. To znamená, že má extrémne relativistické vlastnosti. Z relativity poznáme efekt dilatácie času. Pri ňom sa hodinky na rýchlo sa pohybujúcom objekte spomaľujú a čas beží pomalšie. Keby ste si sadli na 51-joulový protón a cestovali by ste na kraj vesmíru, tak kým by ste tam prišli, ľudstvo by zostarlo o 14 miliárd rokov, no vy by ste na protóne zostarli len o dva týždne.
Prečo sa v súvislosti s časticami s ultravysokými energiami hovorí o polstoročnej záhade?
Už od objavu Johna Linsleyho vieme, že častice s takým množstvom energie existujú. No nevieme, čo je ich zdrojom. Čo vo vesmíre dokáže do častíc napumpovať také ohromné množstvo energie. Už viac než 50 rokov na to fyzika nedokáže nájsť odpoveď.
Pokračovanie článku si môžete prečítať v augustovom vydaní časopisu Quark.
Quark si môžete aj objednať tu alebo na adrese: predplatne@quark.sk
Zhovárala sa Viktória Zemančíková
Foto JEM-EUSO, NASA
