Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνων

1. Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνων Όνομα: Σουέιρο Μαρία – Χίλντα Υπεύθυνος καθηγητής: Α. Κεχαγιάς

2. Κοσμικήακτινοβολία υποβάθρου • Προέλευση 15 δισεκατομμύρια χρόνια πριν → Σύμπαν = θερμό, πυκνό και σχεδόν ομογενές, απειροστό μέγεθος → Θερμή Μεγάλη Έκρηξη→ Τ = 3000 Κ : τα πρωτόνια προσλαμβάνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και σχηματίζονται τα άτομα υδρογόνου → Αποδέσμευση μάζας – ακτινοβολίας → Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου

3. Κοσμικήακτινοβολία υποβάθρου Αποδέσμευση μάζας - ακτινοβολίας

4. Κοσμικήακτινοβολία υποβάθρου • Ανακάλυψη • Gamow, 1946 • Penzias και Wilson, Bell Labs, 1964

5. Κοσμικήακτινοβολία υποβάθρου • Συστηματικό σφάλμα → Πιθανές αιτίες που ερευνήθηκαν: ραδιοφωνικά σήματα από τη Νέα Υόρκη, πυρηνικές δοκιμές, φωλιά περιστεριών μέσα στο τηλεσκόπιο!!! • Πήραν το βραβείο Nobel το 1978.

6. Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου • Κύρια χαρακτηριστικά • ακτινοβολία μέλανος σώματος

7. Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου • Τ = 2.726 ±0.010 Κ (Cosmic Background Explorer) • χαρακτηριστική ενέργεια των φωτονίων: 2 x 10-4 eV

8. Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου • 400 φωτόνια κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ανά cm3 • aνισοτροπίες στην κατανομή θερμοκρασίας

9. Κοσμικές ακτίνες • Ανακάλυψη • Victor Hess, 1912 • Προέλευση • Υπό συζήτηση!

10. Κοσμικές ακτίνες • Κύρια χαρακτηριστικά • είναι φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια αλλά και ελαφριοί πυρήνες • μεγάλο ενεργειακό φάσμα, από μερικά eV μέχρι αρκετά GeV • είναι τα ταχύτερα κινούμενα σωματίδια στο σύμπαν, κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες ελάχιστα μικρότερες από αυτή του φωτός • ανιχνεύονται μέσω των πιδάκων σωματιδίων που παράγονται όταν εισέρχονται στην ατμόσφαιρα

11. Αλληλεπίδραση Φωτοπαραγωγή πιονίων: γ + p →n + π+ ή γ + p →p + π0 → μείωση της ενέργειας των πρωτονίων → φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων: ενέργεια αποκοπής GZK (Greisen – Zatsepin – Kuz’min)

12. Υπολογισμός ενέργειας GZK • Θεωρούμε την αλληλεπίδραση: γ + p →n + π+ • Θέλουμε να υπολογίσουμε την ενέργεια κατωφλιού αυτής της αντίδρασης. • Στο σύστημα κέντρου μάζας: pγ = ( Εγ, -pγ) pp = ( Ep, pp) pn = ( mn, 0)pπ = ( mπ, 0)

13. Υπολογισμός ενέργειας GZK • Θεωρούμε το αναλλοίωτο της τετραορμής: (pγ + pp)2 = (pn + pπ)2 • 0 +mp2 + 2pγ.pp = mn2 + mπ2 + 2pn.pπ • 2Εγ.Εp + 2Eγ.Ep + mp2 = mn2 + mπ2 – 2mn.mπ • 4 Eγ.Ep = - mp2 + mn2 + mπ2 – 2mn.mπ (mp≈ mn) • 4Eγ.Ep = mπ2 + 2mp.mπ • 4Eγ.Ep = 2mp.mπ (1 + mπ/2mp)

14. Υπολογισμός ενέργειας GZK • Ep = ( 1 + mπ/2mp) mpmπ/2Εγ • mπ = 139.57 MeV • mp = 938.27 MeV • Eγ≈ 2 x 10-4eV • Ep≈ 3 x 1020 eV Αυτό είναι το φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων, που οφείλεται στην αλληλεπίδρασή τους με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

15. Φράγμα ενέργειας • Η ελάχιστη ενέργεια των πρωτονίων για την πραγματοποίηση της φωτοπαραγωγής πιονίων είναι 3 x 1020eV • Δεν αναμένουμε να παρατηρηθούν κοσμικές ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή. Όμως... Έχουν παρατηρηθεί κοσμικές ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη των 3 x 1020 eV: Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών!

16. Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών • Μέση ελεύθερη διαδρομή πρωτονίων: λ = 1/σ.Νγ όπου σ = 2 x 10-28 cm2: η ενεργός διατομή της αντίδρασης Νγ = 400 γ/cm3: μέσος αριθμός φωτονίων ανά όγκο • λ ≈1025cm ≈ 10 εκατ. έτη φωτός

17. Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών • Η μέση ελεύθερη διαδρομή που υπολογίσαμε είναι λίγες φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος της δικής μας τοπικής ομάδας. • Ίσως αυτές οι κοσμικές ακτίνες να προέρχονται από ‘κοντινές’ περιοχές του γαλαξία. Όμως... • Σε αυτή την περιοχή δεν υπάρχουν πιθανές ισχυρές πηγές κοσμικών ακτίνων!

18. Πειραματικές προσπάθειες • Επιβεβαίωση ή απόρριψη του φαινομένου; • HIRES: φαίνεται να υποδεικνύει την ύπαρξη του φράγματος GZK • AGASA: δεν υπάρχει ένδειξη για ενέργεια αποκοπής

19. Πειραματικές προσπάθειες • Σημαντικό: και στα δύο πειράματα έχουμε μεγάλο σφάλμα κοντά στις ενέργειες όπου αναμένεται να εμφανίζεται το φαινόμενο. • Παρόλο που το HIRES υπαινίσσεται την ύπαρξη του φράγματος, στις ενέργειες των 1020eV η απόκλιση από τις αναμενόμενες τιμές είναι περίπου 2.3σ.

20. Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειες • Χρειάζονται πειράματα με καλύτερη στατιστική • Pierre Auger • EUSO Προσωμοίωση αποτελεσμάτων για τρία χρόνια λήψης μετρήσεων

21. Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειες • Αν τα αποτελέσματα είναι συγκρίσιμα με αυτά του HIRES αλλά με καλύτερη στατιστική, θα μπορούμε να αποδεχτούμε την ύπαρξη του φράγματος της ενέργειας των κοσμικών ακτίνων λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. • Αν τα αποτελέσματα μοιάζουν με αυτά του AGASA: • νέα συστατικά κοσμικών ακτίνων • παραβίαση του αναλλοίωτου του Lorentz • νέες ισχυρές αλληλεπιδράσεις νετρίνων

22. Βιβλιογραφία • James B. Hartle, Gravity – An introduction to Einstein's general relativity • Frank H. Shu, Αστροφυσική – Δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος • D. H. Perkins, Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειών

23. Βιβλιογραφία • GZK cutoff distortion due to the energy error distribution shape I. Albuquerque, G. Smoot • The cosmic microwave background radiation E. Gawsier, J. Silk • The origin of ultra high energy cosmic rays P. Blasi