Číhaná na exotické částice

28 Lis

Projekt, který se rozbíhá v České republice, by mohl významně ovlivnit pohled mladých studentů na skutečnou vědu. Právě středoškoláci totiž dostanou šanci podílet se na odtajňování některých záhad vesmíru. Budou nám v hledání nejexotičtějších částic kosmického záření pomáhat právě oni?

Když se před sto lety objevily první známky toho, že se nám ve vzduchu pohybují nabité částice, nepřikládala se tomu žádná kosmická váha. Asi nám naše Země něco ionizujícího vyzařuje z nitra. Jenže potom se v roce 1912 vydal Rakušan Victor Francis Hess se svým heliovým balonem na výlet do výšky přes pět kilometrů nad zemský povrch. K překvapení všech, čím výše balon stoupal, tím více částic svými přístroji detekoval. Bylo jasno, tyto částice musí pocházet z kosmu.

Částicová astrofyzika

Započala tak éra nového vědního oboru a hon na informace objasňující původ, složení a vlastnosti těchto spršek částic dopadajících na Zemi. Velmi brzo se zdálo, že bude problém vyřešen. Ještě v témže roce dokázal Hess pomocí měření v balonu během slunečního zatmění, že hlavním zdrojem těchto nabitých částic je právě Slunce. Během zpřesňování měření se však postupem času ukazovalo, že existuje stále dost částic, které k nám ze Slunce nepřišly. Odkud tedy? A proč jsou tak zajímavé? Na všechny otázky kolem kosmického záření se snaží odpovídat různé modely. Každý z těchto modelů je poté potřeba porovnávat s napozorovanými skutečnostmi. A zde narážíme na dva kameny úrazu. Prvním jsou stálé potíže v bezproblémové detekci a druhým problémem je, že žádný z dosavadních modelů nesedí zcela. A to vše se týká především nejexotičtějších oblastí – částic s ultravysokými energiemi.

Splašený proton

Vezměte tenisový míček, napřáhněte se a hoďte jím prudce o stěnu. Stihli jste před tím odraženým šílencem uhnout? Máte štěstí. A právě teď jste měli možnost okusit, jak neuvěřitelnou energii mají ty částice, o kterých bude nyní řeč. Ano, jediná taková částice má energii porovnatelnou s tenisovým míčkem hozeným na stěnu rychlostí, za kterou byste u nás na dálnici dostali pokutu. Rozsah, na kterém můžeme měřit energetické spektrum kosmického záření, je však mnohem širší. Začíná na energiích 109 eV, což jsou nejběžnější složky slunečního větru, a končí právě na energii onoho ulítlého tenisového míčku, což je 1020 eV.

Svou cestu schovávají

Zatímco o slunečním větru (díky jeho intenzitě) máme slušný přehled, u částic s vyššími energiemi jsme na tom již podstatně hůře. To proto, že všechny částice, o kterých je řeč, jsou nabité. A jejich trajektorie jsou tedy ovlivňovány magnetickými poli. Jejich trajektorie jsou tak zakřiveny nejen magnetickým polem Země, ale také Sluncem a celou naší sluneční soustavou a koneckonců i naší galaxií. Takže tyto částice za sebou důkladně zametají cestičky ve všech případech, kdy to jejich energie dovolí. Ty s nejmenší energií se nám již zamotají do Van Allenových radiačních pásů Země. Ty, co pocházejí z událostí v nitru galaxie anebo z akrečních disků černých děr, jsou zase ovlivňovány Sluncem a sluneční soustavou. Takže díky tomuto zakřivení se může stát, že částice emitované z centra naší galaxie kolmo k ekvatoriální rovině nám dopadnou na Zemi někde na pólu. Jsou totiž příliš energetické na to, aby jejich dráhu ovlivnilo magnetické pole Země nebo Slunce, ale dost slabé na to, aby je zakřivilo magnetické pole samotné galaxie. Ty nejenergetičtější, nejvzácnější a nejdiskutovanější částice pak překonávají téměř všechna omezení. Neznáme zdroje magnetického pole, které by je dokázalo zakřivit, a pokud na Zemi dopadnou, téměř přesně ukazují na místo, ve kterém vznikly. Mluvíme přesně o těch částicích s energií prudce hozeného tenisového míčku. Za 40 let detekce se jich podařilo zaznamenat jen zhruba 20 kousků s energií přes 1020 eV. Ten nejenergetičtější měl 3,2×1020 eV a jeho stopy polapili vědci v americkém státě Utah v roce 1991 pomocí detektoru s názvem Fly’s Eye.

Paradox 50 joulových šílenců

Celá tato krása létajících tenisových míčků velikosti protonu má jednu podstatnou vadu. Podle stávajících teorií by vůbec neměly existovat. Dosavadní modely mají totiž jedno konkrétní omezení na energii 5×1019 eV. Částice s vyšší energií totiž musí nutně interagovat s reliktním mikrovlnným pozadím. Každá částice je nucena kolidovat s těmito fotony tak dlouho, dokud výsledný produkt nebude mít energii menší, než je tento kritický tzv. GZK limit. To, že tedy tyto částice pozorujeme, může znamenat, že buď jsou naše měření vadná, anebo je zdroj těchto extrémně energetických částic někde ve vzdálenosti do 100 Mpc. Tedy rozhodně ne v kosmologické vzdálenosti. Co to ve svém významu znamená? Především máme o záhadu více. Neznáme totiž proces, který by mohl tak energetickou částici vytvořit. Tedy alespoň ne žádný prokázaný. Z hypotéz tak zbývají jen ty nejexotičtější. Zdrojem by tak mohly být nějaké přírodní exotické urychlovače, mikroskopické černé díry anebo topologické defekty ve vesmíru jako magnetické monopóly či kosmické struny.

Sprchy spršek

Střet se zemskou atmosférou je pro všechny takovéto částice destruktivní. Jejich více než padesátijoulová energie při střetu s jádrem atomů atmosférických plynů způsobí okamžitý rozpad na nestabilní mesony a postupně a kaskádovitě na další typy ionizujícího záření. Výsledkem je doslova sprcha nabitých částic, které dopadnou na zemský povrch. Zde vězí kámen úrazu přímé detekce exotických ultraenergetických částic. Na Zemi totiž nedopadnou. A protože jsou navíc velmi vzácné (odhad u energií 1019 eV je 1 částice/m2/rok), není příliš účinné posílat malé detekční sondy do kosmu (i když balonová i satelitní měření se stále provádějí a vylepšují). Jako řešení, populární v poslední době, se jeví pozemská detekce sekundárních částic. Tedy produktů po rozpadu původní ultraenergetické částice v atmosféře. A jedním z těchto počinů je právě i projekt Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze ve spolupráci ze Slezskou univerzitou v Opavě s názvem CZELTA.

Leave a Reply