12.4. Energie eines relativistischen Teilchens

12.4.1. Energie eines relativistischen Teilchens

Gesamtenergie relativistisches Teilchen besteht aus der Ruheenergie des relativistischen Teilchens und seiner kinetischen Energie:

E \u003d E 0 + T,

Äquivalenz von Masse und Energie(Einsteins Formel) erlaubt es uns, die Ruheenergie eines relativistischen Teilchens und seine Gesamtenergie wie folgt zu bestimmen:

• Ruheenergie -

E 0 \u003d m 0 c 2,

wobei m 0 die Ruhemasse eines relativistischen Teilchens ist (die Masse des Teilchens in seinem eigenen Bezugssystem); c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s;

• Gesamtenergie -

E \u003d Mc 2,

wobei m die Masse des sich bewegenden Teilchens ist (die Masse eines Teilchens, das sich relativ zum Beobachter mit einer relativistischen Geschwindigkeit v bewegt); c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

Verhältnis zwischen Massen m 0 (Masse eines ruhenden Teilchens) und m (Masse eines sich bewegenden Teilchens) ist gegeben durch

Kinetische Energie relativistisches Teilchen wird durch die Differenz bestimmt:

T = E - E 0 ,

wobei E die Gesamtenergie des sich bewegenden Teilchens ist, E = mc 2 ; E 0 - Ruheenergie des angegebenen Teilchens, E 0 = m 0 c 2 ; die Massen m 0 und m hängen durch die Formel zusammen

m = m 0 1 - - v 2 c 2 ,

wobei m 0 die Masse des Teilchens in dem Bezugssystem ist, relativ zu dem das Teilchen ruht; m ist die Masse des Teilchens im Bezugssystem, relativ zu dem sich das Teilchen mit einer Geschwindigkeit v bewegt; c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

ausdrücklich kinetische Energie relativistisches Teilchen wird durch die Formel definiert

T = m c 2 - - m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 1 - - v 2 c 2 - - 1) .

Beispiel 6. Die Geschwindigkeit eines relativistischen Teilchens beträgt 80 % der Lichtgeschwindigkeit. Bestimmen Sie, wie oft die Gesamtenergie des Teilchens größer ist als seine kinetische Energie.

Entscheidung . Die Gesamtenergie eines relativistischen Teilchens ist die Summe der Ruheenergie des relativistischen Teilchens und seiner kinetischen Energie:

E \u003d E 0 + T,

wobei E die Gesamtenergie des sich bewegenden Teilchens ist; E 0 - Ruheenergie des angegebenen Teilchens; T ist seine kinetische Energie.

Daraus folgt, dass die kinetische Energie die Differenz ist

T = E − E 0 .

Der gewünschte Wert ist das Verhältnis

E T = E E - - E 0 .

Um die Berechnungen zu vereinfachen, finden wir den Kehrwert des Gewünschten:

T. E. = E. - E. 0 E. = 1 - - E. 0 E. ,

wo E 0 \u003d m 0 c 2; E = mc2; m 0 - Ruhemasse; m ist die Masse des sich bewegenden Teilchens; c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Einsetzen der Ausdrücke für E 0 und E in die Beziehung (T /E ) ergibt

T. E. = 1 - - m 0 c 2 m c 2 = 1 - - m 0 m .

Die Beziehung zwischen den Massen m 0 und m wird durch die Formel bestimmt

m = m 0 1 - - v 2 c 2 ,

wobei v die Geschwindigkeit des relativistischen Teilchens ist, v = 0,80c.

Lassen Sie uns das Massenverhältnis von hier aus ausdrücken:

m 0 m = 1 - v 2 c 2

und ersetzen Sie es durch (T /E ):

T. E. = 1 - - 1 - - v 2 c 2 .

Rechnen wir:

T E \u003d 1 - 1 - (0,80 s) 2 c 2 \u003d 1 - 0,6 \u003d 0,4.

Der gewünschte Wert ist das umgekehrte Verhältnis

E T \u003d 1 0,4 \u003d 2,5.

Die Gesamtenergie eines relativistischen Teilchens bei der angegebenen Geschwindigkeit übersteigt seine kinetische Energie um den Faktor 2,5.

Seite 1

Die maximale Teilchenenergie im Van-de-Graaff-Generator ist, wie in jedem direkt wirkenden Beschleuniger, durch die Durchbruchspannung zwischen der Kugel und umgebenden Objekten begrenzt. Selbst bei sorgfältigsten Vorkehrungen in bestehenden Anlagen kann die Durchbruchspannung nicht über zehn Millionen Volt angehoben werden.

Berechnen wir die maximale Energie des Teilchens. Der Koeffizient V2 bei dem Amplitudenwert des EQ des Felds wird erhalten, da der Mittelwert des Felds über eine halbe Schwingungsperiode berechnet wird.

Berechnen wir die maximale Energie des Teilchens. Der Koeffizient 1 / 2 beim Amplitudenwert E0 des Feldes wird erhalten, weil der Mittelwert des Feldes für die Halbperiode der Schwingungen berechnet wird.

Berechnen wir die maximale Energie des Teilchens.

Der Wert von W gleich der maximalen Teilchenenergie bei T0 K wird als Energie-Fermi-Niveau oder einfach als Fermi-Niveau bezeichnet.

Energieverluste durch kosmische Strahlung begrenzen die maximale Energie der Teilchen, aus denen kosmische Strahlung besteht; diese Begrenzung hängt vom Alter des Partikels ab. Im Zeitraum 1969 - 1971. Raketenexperimente ergaben eine 20- bis 100-fach überschätzte Gesamtdichte der Reliktstrahlung.

Tritium ist ein reiner (3-Strahler mit einer maximalen Teilchenenergie von 18 61 0 02 keV und einer Halbwertszeit von 12 43 Jahren.

Das Magnetfeld im Zyklotron erreicht mehrere zehntausend Oersted, der Kammerradius mehrere Meter und die maximale Teilchenenergie bis zu 107 eV. Diese Energie ist relativ gering, obwohl sie in den ersten Experimenten zur Kernspaltung als ausreichend angesehen wurde. Eine große Energie am Zyklotron kann nicht erreicht werden: Wie aus der Relativitätstheorie hervorgeht, nimmt die Masse der Teilchen mit der Geschwindigkeit zu, wodurch die Frequenz ihrer Zirkulation während der Bewegung abnimmt.

Die Spezifität der Wirkung von Tritiumstrahlung wird durch die Reichweite seiner 3-Teilchen bestimmt. Die maximale Energie von Teilchen im p-Spektrum von Tritium entspricht einem Bereich in Materie von etwa 6 µm bei einer Stoffdichte von 1 g/cm3, und 90 % der Strahlungsenergie werden in einem Abstand von etwa 0,5 µm verbraucht von der Quelle. Der letztgenannte Umstand erweist sich als äußerst wichtig, da die Absorption von Tritiumstrahlung in einer Entfernung von der Größenordnung einer lebenden Zelle stattfindet, im Gegensatz zu solchen p-Emittern wie Phosphor-32 oder Yttrium-90, der Strahlung von das vom bestrahlten Organ aufgenommen wird. Dabei ist es wichtig, die intrazelluläre Lokalisation von Tritium zu berücksichtigen, da die Strahlenempfindlichkeit subzellulärer Einheiten stark variiert.

Coleman [31, 851] verwendet einen einzigen Resonator, bei dem mit Hilfe zweier Magnetrons durch unabhängige Koppellöcher Schwingungen vom Typ TM010 mit einer Frequenz von 2 8 GHz angeregt werden. Bei einer Gesamteingangsleistung von 800 kW beträgt die maximale Teilchenenergie 1,5 MeV. Um Elektronen mit der erforderlichen Geschwindigkeit und der erforderlichen Phasenverschiebung in den beschleunigenden Resonator zu injizieren, was eine hohe Ausgangsenergie liefert, wird ein Pre-Bnching-Resonator verwendet . Die Serienelektroden sind mit einem Widerstandsteiler verbunden, so dass ihre Potentiale gemäß einem parabolischen Gesetz verteilt werden.

Aus Sicht der Erzeugung neuer Teilchen sind Strahlbeschleuniger (VI.5.4.3, VI.5.3.4) besonders effektiv, in denen Teilchen mit einem Gesamtimpuls von Null zusammenstoßen. Dadurch kann ihre gesamte kinetische Energie in die Ruheenergie der geborenen Teilchen umgewandelt werden, deren Gesamtimpuls ebenfalls gleich Null ist. Dies ist bereits ziemlich nah an der maximalen Energie von Teilchen der kosmischen Strahlung.

Beta-Teilchen emittiert von Atomkerne mit allen möglichen Anfangsenergien (von Null bis zu einem gewissen Maximum) unterschiedliche Reichweiten in Materie haben. Die Durchdringungskraft von Betateilchen verschiedener radioaktiver Isotope wird üblicherweise durch die Mindestdicke einer Substanzschicht charakterisiert, die alle Betateilchen vollständig absorbiert. Beispielsweise schützt vor dem Fluss von Beta-Teilchen mit einer maximalen Teilchenenergie von 2 MeV eine 3,5 mm dicke Lumineszenzschicht mit einer Polystyrolschicht. Alpha-Teilchen, die eine viel größere Masse als Beta-Teilchen haben, erfahren bei Kollisionen mit Elektronen von Atomhüllen sehr kleine Abweichungen von der ursprünglichen Bewegungsrichtung und bewegen sich nahezu geradlinig.

BEIM letzten Jahren eine Reihe wichtiger Entdeckungen in der Kernphysik wurden dank gemacht weitverbreiteter Gebrauch Methode der Dickschichtplatten (S. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Methode extreme Einfachheit und große Genauigkeit der Forschung kombiniert. Fotoplatten, die auf Ballons und Raketen in die oberen Schichten der Atmosphäre gehoben werden, ermöglichen es, nukleare Transformationen zu untersuchen, die durch kosmische verursacht werden Strahlenteilchen mit Energien, die tausendmal höher sind als die maximale Energie von unter Laborbedingungen beschleunigten Teilchen.

16. Juli 2015 um 00:57 Uhr

Fragen Sie Ethan Nr. 14: Die Teilchen mit der höchsten Energie im Universum

• Populärwissenschaft,
• Physik

• Übersetzung

Die Ergebnisse meiner Beobachtungen lassen sich am besten mit der Annahme erklären, dass die Strahlung einer enormen durchdringenden Energie von oben in unsere Atmosphäre eintritt.
- Victor Hess

Man könnte meinen, dass die stärksten Teilchenbeschleuniger – SLAC, Fermilab, LHC – die Quellen der höchsten Energien sind, die wir sehen können. Aber alles, was wir auf der Erde zu tun versuchen, ist nichts im Vergleich dazu natürliche Prozesse Universum.

Der Leser fragt:

Seit ich als Kind anfing, die Fantastic Four-Comics zu lesen, wollte ich mehr über kosmische Strahlung erfahren. Kannst du mir dabei helfen?

Werfen wir einen Blick darauf.

Noch bevor Juri Gagarin von der Oberfläche unseres Planeten abheben konnte, war allgemein bekannt, dass dort jenseits des Schutzes der Atmosphäre der Weltraum mit hochenergetischer Strahlung gefüllt ist. Wie haben wir davon erfahren?

Der erste Verdacht entstand bei einfachsten Experimenten mit einem Elektroskop.

Wenn Sie einem solchen Gerät, in dem zwei Bleche miteinander verbunden sind, eine elektrische Ladung geben, erhalten sie die gleiche Ladung und stoßen sich ab. Sie würden erwarten, dass die Ladung mit der Zeit in die Umgebungsluft entweicht – Sie könnten also daran denken, das Gerät zu isolieren, indem Sie beispielsweise ein Vakuum um es herum erzeugen.

Aber auch in diesem Fall wird das Elektroskop entladen. Selbst wenn Sie es mit Blei isolieren, entlädt es sich immer noch. Wie Experimentatoren Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckten, entlädt sich ein Elektroskop umso schneller, je höher man es anhebt. Mehrere Wissenschaftler haben die Hypothese aufgestellt, dass die Entladung auf hochenergetische Strahlung zurückzuführen ist. Es hat eine hohe Durchdringungsenergie und einen Ursprung außerhalb der Erde.

In der Wissenschaft ist es üblich, Hypothesen zu testen. 1912 führte Victor Hess ein Experiment mit einem Ballon durch, in dem er versuchte, diese hochenergetischen kosmischen Teilchen zu finden. Und fand sie in Hülle und Fülle und wurde zum Vater der kosmischen Strahlung.

Frühe Detektoren waren bemerkenswert einfach. Sie stellen eine spezielle Emulsion her, die den Durchgang geladener Teilchen durch sie „fühlt“, und Sie bringen alles in ein Magnetfeld. Wenn Partikel dies passieren, können Sie zwei wichtige Dinge lernen:

• Teilchenladung-zu-Masse-Verhältnis
• und ihre Geschwindigkeit

die davon abhängen, wie sich der Pfad des Partikels biegt. Dies kann berechnet werden, indem die Stärke des angelegten Magnetfelds bekannt ist.

In den 1930er Jahren lieferten mehrere Experimente sowohl mit frühen bodengebundenen Beschleunigern als auch mit Detektoren für kosmische Strahlung viel interessante Information. Beispielsweise hatten die meisten Teilchen der kosmischen Strahlung (90 %) unterschiedliche Energieniveaus – von einigen Megaelektrovolt bis hin zu so hohen Energien, wie Sie sie messen konnten! Die meisten anderen waren Alphateilchen oder Heliumkerne mit zwei Protonen und Neutronen auf demselben Energieniveau.

Wenn diese kosmischen Strahlen auf die obere Atmosphäre der Erde treffen, interagieren sie mit ihr und lösen Kaskadenreaktionen aus, die einen Regen hochenergetischer Teilchen erzeugen, darunter zwei neue: das Positron, dessen Existenz 1930 von Dirac vermutet wurde. Es ist der Zwilling eines Elektrons aus der Welt der Antimaterie, die gleiche Masse, aber mit positiver Ladung, und das Myon ist ein instabiles Teilchen mit der gleichen Ladung wie ein Elektron, aber 206-mal schwerer. Das Positron wurde 1932 von Karl Andersen entdeckt und das Myon 1936 von ihm und seinem Schüler Seth Neddermeier, aber das erste Positron wurde einige Jahre zuvor von Paul Kuenze entdeckt, was die Geschichte aus irgendeinem Grund vergessen hat.

Das Erstaunliche ist, dass, wenn Sie Ihren Arm parallel zum Boden ausstrecken, etwa 1 Myon pro Sekunde durch ihn hindurchgeht.

Jedes Myon, das Ihre Hand durchdringt, wird in einem Regen kosmischer Strahlen geboren, und jeder von ihnen bestätigt die spezielle Relativitätstheorie! Sie sehen, diese Myonen werden in einer Höhe von etwa 100 km erzeugt, aber die durchschnittliche Myonenlebensdauer liegt in der Größenordnung von 2,2 Mikrosekunden. Selbst wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würden, könnten sie nicht mehr als 660 Meter zurücklegen, bevor sie sich auflösten. Aber aufgrund der Zeitverzerrung, aufgrund der Tatsache, dass sich die Zeit eines Teilchens, das sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, aus der Sicht eines stationären Beobachters verlangsamt, können diese sich schnell bewegenden Myonen den ganzen Weg zur Oberfläche zurücklegen der Erde vor ihrem Verfall.

Wenn wir bis heute vorspulen, stellt sich heraus, dass wir sowohl die Anzahl als auch das Energiespektrum dieser kosmischen Teilchen genau gemessen haben.

Teilchen mit einer Energie von etwa 100 GeV sind am häufigsten, und ungefähr 1 solches Teilchen geht durch Quadratmeter die Erdoberfläche jede Sekunde. Und obwohl es Teilchen mit höherer Energie gibt, sind sie viel seltener – je seltener, desto mehr Energie nehmen wir auf. Nehmen wir zum Beispiel eine Energie von 10 16 eV an, dann passieren solche Teilchen nur einmal im Jahr einen Quadratmeter. Und die energiereichsten Teilchen mit einer Energie von 5 × 10 10 GeV (oder 5 × 10 19 eV) passieren einmal im Jahr einen Detektor mit einer Seitenlänge von 10 km.

Eine solche Idee sieht ziemlich seltsam aus - und doch gibt es einen Grund für ihre Umsetzung: Es muss eine Grenze für die Energie der kosmischen Strahlung und eine Grenze für die Geschwindigkeit von Protonen im Universum geben! Die Energie, die wir einem Proton geben können, ist möglicherweise unbegrenzt: Geladene Teilchen können mithilfe von Magnetfeldern beschleunigt werden, und die größten und aktivsten Schwarzen Löcher im Universum können Protonen auf Energien beschleunigen, die weitaus größer sind, als wir bisher beobachtet haben.

Aber sie müssen durch das Universum reisen, um zu uns zu gelangen, und das Universum ist mit einer Menge kalter, energiearmer Strahlung gefüllt – kosmischer Hintergrundstrahlung.

Hochenergetische Teilchen entstehen nur in den Regionen, in denen sich die massereichsten und aktivsten Schwarzen Löcher im Universum befinden, und alle sind sehr weit von unserer Galaxie entfernt. Und wenn ein Teilchen mit einer Energie von mehr als 5 × 10 10 GeV entsteht, kann es nicht mehr als ein paar Millionen Lichtjahre zurücklegen, bis eines der Photonen übrig bleibt Urknall, interagiert nicht damit, nachdem er ein Pion erhalten hat. Die überschüssige Energie wird abgestrahlt und die verbleibende Energie fällt auf die kosmische Energiegrenze, die als Grisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze bekannt ist.

Deshalb haben wir das Einzige getan, was Physikern vernünftig erscheint: Wir haben einen unrealistisch großen Detektor gebaut und uns auf die Suche nach Teilchen gemacht!

Observatorium. Pierre Auger tut genau das: Er bestätigt, dass es kosmische Strahlung gibt, die diese Energiegrenze erreicht, aber nicht überschreitet, die 10 Millionen Mal höher ist als die am LHC erreichte Energie! Das bedeutet, dass sich die schnellsten Protonen, die wir je gesehen haben, fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (das sind genau 299.792.458 m/s), aber etwas langsamer. Aber wie viel langsamer?

Die schnellsten Protonen, die sich gerade an der Grenze des Limits befinden, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 299.792.457,999999999999918 Metern pro Sekunde. Wenn Sie ein solches Proton und ein Photon vorher starten

Boris Arkadjewitsch Chrenow,
Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Forschungsinstitut für Kernphysik. D. V. Skobeltsyn Moskauer Staatliche Universität M. W. Lomonossow
"Wissenschaft und Leben" Nr. 10, 2008

Fast hundert Jahre sind seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung vergangen – Ströme geladener Teilchen, die aus den Tiefen des Universums kommen. Seitdem wurden viele Entdeckungen im Zusammenhang mit der kosmischen Strahlung gemacht, aber es gibt immer noch viele Geheimnisse. Eine davon ist vielleicht die faszinierendste: Woher kommen Teilchen mit einer Energie von mehr als 10 20 eV, also fast einer Milliarde Billionen Elektronenvolt, eine Million Mal mehr als im stärksten Beschleuniger – dem Großen – erreicht werden kann Hadron Collider? Welche Kräfte und Felder beschleunigen Teilchen auf solch ungeheure Energien?

Kosmische Strahlung wurde 1912 vom österreichischen Physiker Victor Hess entdeckt. Er war Mitglied des Radiuminstituts Wien und forschte über ionisierte Gase. Zu diesem Zeitpunkt war bereits bekannt, dass alle Gase (einschließlich der Atmosphäre) immer leicht ionisiert sind, was auf das Vorhandensein einer radioaktiven Substanz (wie Radium) entweder in der Zusammensetzung des Gases oder höchstwahrscheinlich in der Nähe eines Instruments hinweist, das die Ionisation misst in der Erdkruste. Versuche mit Abheben des Ionisationsdetektors zu Heißluftballon wurden entwickelt, um diese Annahme zu testen, da die Gasionisation mit der Entfernung von der Erdoberfläche abnehmen sollte. Die Antwort war das Gegenteil: Hess entdeckte eine Art Strahlung, deren Intensität mit der Höhe zunahm. Diese legten nahe, dass es aus dem Weltall stammt, beweisen es aber endgültig außerirdischen Ursprungs Strahlen gelang erst nach zahlreichen Experimenten (der Nobelpreis wurde W. Hess erst 1936 verliehen). Denken Sie daran, dass der Begriff „Strahlung“ nicht bedeutet, dass diese Strahlen rein elektromagnetischer Natur sind (wie Sonnenlicht, Radiowellen oder Röntgenstrahlen); Es wurde bei der Entdeckung eines Phänomens verwendet, dessen Natur noch nicht bekannt war. Und obwohl bald klar wurde, dass der Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung beschleunigte geladene Teilchen, Protonen, sind, hat sich der Begriff erhalten. Die Untersuchung eines neuen Phänomens begann schnell, Ergebnisse zu liefern, die normalerweise der „neuesten Wissenschaft“ zugeschrieben werden.

Die Entdeckung kosmischer Teilchen mit sehr hoher Energie unmittelbar (lange bevor der Protonenbeschleuniger geschaffen wurde) warf die Frage auf: Was ist der Mechanismus zur Beschleunigung geladener Teilchen in astrophysikalischen Objekten? Heute wissen wir, dass sich die Antwort als nicht trivial herausstellte: Ein natürlicher „Weltraum“-Beschleuniger unterscheidet sich grundlegend von künstlichen Beschleunigern.

Es wurde bald klar, dass kosmische Protonen, die durch Materie fliegen, mit den Kernen ihrer Atome wechselwirken, wodurch bisher unbekannte instabile Elementarteilchen entstehen (sie wurden hauptsächlich in der Erdatmosphäre beobachtet). Die Untersuchung des Mechanismus ihrer Entstehung hat einen fruchtbaren Weg zur Konstruktion einer Systematik der Elementarteilchen eröffnet. Im Labor haben Protonen und Elektronen gelernt, ihre riesigen Ströme zu beschleunigen und zu empfangen, die unvergleichlich dichter sind als in kosmischer Strahlung. Letztlich waren es Experimente zur Wechselwirkung von Teilchen, die in Beschleunigern Energie erhielten, die zur Entstehung führten moderne Malerei Mikrowelt.

1938 entdeckte der französische Physiker Pierre Auger ein bemerkenswertes Phänomen - Schauer sekundärer kosmischer Teilchen, die durch die Wechselwirkung von primären Protonen und Kernen extrem hoher Energie mit den Kernen atmosphärischer Atome entstehen. Es stellte sich heraus, dass es im Spektrum der kosmischen Strahlung Teilchen mit einer Energie in der Größenordnung von 10 15 -10 18 eV gibt - Millionen Mal größer als die Energie von im Labor beschleunigten Teilchen. Akademiker Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn gab spezielle Bedeutung Er untersuchte solche Teilchen und organisierte unmittelbar nach dem Krieg 1947 zusammen mit seinen engsten Kollegen G. T. Zatsepin und N. A. Dobrotin eine umfassende Studie über Kaskaden von Sekundärteilchen in der Atmosphäre, die als ausgedehnte Luftschauer (EAS) bezeichnet werden. Die Geschichte der ersten Untersuchungen der kosmischen Strahlung kann in den Büchern von N. Dobrotin und V. Rossi nachgelesen werden. Im Laufe der Zeit entwickelte sich die Schule von D.V. Skobeltsyna hat sich zu einem der stärksten der Welt entwickelt und lange Jahre bestimmte die Hauptrichtungen bei der Untersuchung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung. Seine Methoden ermöglichten es, den Bereich der untersuchten Energien von 10 9 –10 13 eV zu erweitern, registriert bei Luftballons und Satelliten bis zu 10 13 –10 20 eV. Zwei Aspekte machten diese Studien besonders attraktiv.

Zum einen wurde es möglich, von der Natur selbst erzeugte hochenergetische Protonen zu nutzen, um deren Wechselwirkung mit den Kernen atmosphärischer Atome zu studieren und die feinste Struktur von Elementarteilchen zu entschlüsseln.

Zweitens wurde es möglich, Objekte im Weltraum zu finden, die Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen können.

Der erste Aspekt erwies sich als nicht so fruchtbar, wie man es gerne hätte: Die Untersuchung der Feinstruktur von Elementarteilchen erforderte viel mehr Daten über die Wechselwirkung von Protonen, als die kosmische Strahlung zu gewinnen vermag. Gleichzeitig wurde durch die Untersuchung der Abhängigkeit der Meisten ein wichtiger Beitrag zum Konzept der Mikrowelt geleistet allgemeine Charakteristiken Wechselwirkungen von Protonen auf ihre Energie. Während der Untersuchung von EASs wurde ein Merkmal in der Abhängigkeit der Anzahl von Sekundärteilchen und ihrer Energieverteilung von der Energie des Primärteilchens entdeckt, das mit der Quark-Gluon-Struktur von Elementarteilchen zusammenhängt. Diese Daten wurden später in Experimenten an Beschleunigern bestätigt.

Heute wurden zuverlässige Modelle der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit den Kernen atmosphärischer Atome gebaut, die es ermöglichten, das Energiespektrum und die Zusammensetzung ihrer Primärteilchen mit den höchsten Energien zu untersuchen. Es wurde deutlich, dass kosmische Strahlung in der Entwicklung der Galaxie eine nicht geringere Rolle spielt als ihre Felder und interstellaren Gasströme: Die spezifische Energie von kosmischer Strahlung, Gas und Magnetfeld beträgt ungefähr 1 eV pro cm 3 . Bei einem solchen Energiegleichgewicht im interstellaren Medium liegt es nahe anzunehmen, dass die Beschleunigung von Teilchen der kosmischen Strahlung höchstwahrscheinlich in denselben Objekten stattfindet, die für die Erwärmung und Emission von Gas verantwortlich sind, beispielsweise in New- und Supernova-Sternen ihre Explosion.

Der erste Beschleunigungsmechanismus für kosmische Strahlung wurde von Enrico Fermi für Protonen vorgeschlagen, die zufällig mit magnetisierten Wolken aus interstellarem Plasma kollidieren, konnte aber nicht alle experimentellen Daten erklären. 1977 zeigte der Akademiker Germogen Filippovich Krymsky, dass dieser Mechanismus Teilchen in Supernova-Überresten viel stärker an Stoßwellenfronten beschleunigen sollte, deren Geschwindigkeiten um Größenordnungen höher sind als die von Wolken. Heute ist zuverlässig nachgewiesen, dass der Mechanismus der Beschleunigung kosmischer Protonen und Kerne durch eine Schockwelle in Supernova-Hüllen am effizientesten ist. Unter Laborbedingungen lässt sich das aber kaum reproduzieren: Die Beschleunigung ist relativ langsam und erfordert einen enormen Energieaufwand, um die beschleunigten Teilchen zu halten. In den Hüllen von Supernovae liegen diese Bedingungen aufgrund der Natur der Explosion vor. Es ist bemerkenswert, dass die Beschleunigung der kosmischen Strahlung in einem einzigartigen astrophysikalischen Objekt stattfindet, das für die Verschmelzung schwerer Kerne (schwerer als Helium), die tatsächlich in der kosmischen Strahlung vorhanden sind, verantwortlich ist.

In unserer Galaxie gibt es mehrere bekannte Supernovae, die weniger als tausend Jahre alt sind und mit bloßem Auge beobachtet wurden. Die berühmtesten sind der Krebsnebel im Sternbild Stier („Krabbe“ ist der Überrest einer Supernova-Explosion im Jahr 1054, die in den östlichen Annalen verzeichnet ist), Cassiopeia-A (sie wurde 1572 vom Astronomen Tycho Brahe beobachtet) und Keplers Supernova in das Sternbild Ophiuchus (1680). Die Durchmesser ihrer Schalen betragen heute 5–10 Lichtjahre (1 Lichtjahr = 10 16 m), das heißt, sie dehnen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,01 Lichtgeschwindigkeit aus und befinden sich in Entfernungen von etwa zehntausend Lichtjahren Erde. Supernova-Hüllen ("Nebel") im optischen, Radio-, Röntgen- und Gammabereich wurden von den Weltraumobservatorien Chandra, Hubble und Spitzer beobachtet. Sie zeigten zuverlässig, dass Elektronen und Protonen tatsächlich in Hüllen beschleunigt werden, begleitet von Röntgenstrahlen.

Etwa 60 Supernova-Überreste, die jünger als 2000 Jahre sind, könnten den interstellaren Raum mit kosmischer Strahlung mit einer gemessenen spezifischen Energie (~1 eV in cm 3) füllen, während weniger als zehn von ihnen bekannt sind. Dieser Mangel erklärt sich aus der Tatsache, dass es in der Ebene der Galaxie, wo sich Sterne und Supernovae konzentrieren, viel Staub gibt, der kein Licht zu einem Beobachter auf der Erde durchlässt. Beobachtungen in Röntgen- und Gammastrahlung, für die die Staubschicht transparent ist, ermöglichten es, die Liste der beobachteten „jungen“ Supernova-Hüllen zu erweitern. Die jüngste dieser neu entdeckten Hüllen war Supernova G1.9+0.3, die seit Januar 2008 mit dem Chandra-Röntgenteleskop beobachtet wurde. Schätzungen der Größe und Ausdehnungsgeschwindigkeit seiner Hülle zeigen, dass er vor etwa 140 Jahren aufflammte, aber im optischen Bereich nicht sichtbar war, da sein Licht vollständig von der Staubschicht der Galaxis absorbiert wurde.

Zu den Daten über Supernovae, die in unserer Galaxie explodieren die Milchstrasse, werden viel reichhaltigere Statistiken über Supernovae in anderen Galaxien hinzugefügt. Eine direkte Bestätigung für das Vorhandensein beschleunigter Protonen und Kerne ist Gammastrahlung mit hoher Photonenenergie, die aus dem Zerfall neutraler Pionen resultiert - den Produkten der Wechselwirkung von Protonen (und Kernen) mit dem Quellmaterial. Solche Photonen der höchsten Energien werden mit Hilfe von Teleskopen beobachtet, die das von EAS-Sekundärteilchen emittierte Vavilov-Cherenkov-Glühen registrieren. Das fortschrittlichste Instrument dieser Art ist eine Anlage mit sechs Teleskopen, die in Zusammenarbeit mit HESS in Namibia gebaut wurde. Zuerst wurde die Gammastrahlung von Krebsen gemessen, und ihre Intensität wurde zu einem Intensitätsmaß für andere Quellen.

Das erhaltene Ergebnis bestätigt nicht nur die Existenz eines Mechanismus für die Beschleunigung von Protonen und Kernen in einer Supernova, sondern ermöglicht auch die Abschätzung des Spektrums beschleunigter Teilchen: die Spektren von „sekundären“ Gammaquanten und „primären“ Protonen und Kernen sind sehr nah. Das Magnetfeld in Crab und seine Größe erlauben die Beschleunigung von Protonen auf Energien in der Größenordnung von 10 15 eV. Die Spektren von Teilchen der kosmischen Strahlung in der Quelle und im interstellaren Medium sind etwas unterschiedlich, da die Wahrscheinlichkeit des Austritts von Teilchen aus der Quelle und die Lebensdauer von Teilchen in der Galaxie von der Energie und Ladung des Teilchens abhängen. Der Vergleich des Energiespektrums und der Zusammensetzung der in der Nähe der Erde gemessenen kosmischen Strahlung mit dem Spektrum und der Zusammensetzung an der Quelle ermöglichte es zu verstehen, wie lange Teilchen zwischen Sternen reisen. Die Kerne von Lithium, Beryllium und Bor in kosmischer Strahlung in der Nähe der Erde erwiesen sich als viel größer als in der Quelle - ihre zusätzliche Anzahl erscheint als Ergebnis der Wechselwirkung schwererer Kerne mit interstellarem Gas. Indem wir diesen Unterschied gemessen haben, haben wir die Zahl berechnet X die Substanz, durch die kosmische Strahlen hindurchgegangen sind, die im interstellaren Medium wandern. In der Kernphysik wird die Menge an Materie, die ein Teilchen auf seinem Weg trifft, in g/cm2 gemessen. Dies liegt daran, dass zur Berechnung der Abnahme des Teilchenflusses bei Kollisionen mit Materiekernen die Anzahl der Kollisionen eines Teilchens mit Kernen bekannt sein muss, die eine andere Fläche (Schnitt) quer dazu haben Richtung des Partikels. Wenn man die Materiemenge in diesen Einheiten ausdrückt, erhält man für alle Kerne eine einzige Messskala.

Experimentell gefundener Wert X~ 5–10 g/cm2 ermöglicht eine Abschätzung der Lebensdauer t kosmische Strahlung im interstellaren Medium: t ≈ X/ρ c, wo c- Teilchengeschwindigkeit, ungefähr gleich der Lichtgeschwindigkeit, ρ ~ 10 -24 g/cm 3 - mittlere Dichte des interstellaren Mediums. Daher beträgt die Lebensdauer der kosmischen Strahlung etwa 10 8 Jahre. Diese Zeit ist viel länger als die Flugzeit eines Teilchens, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt mit in einer geraden Linie von der Quelle zur Erde (3 10 4 Jahre für die am weitesten entfernten Quellen auf der gegenüberliegenden Seite der Galaxis von uns). Das heißt, die Teilchen bewegen sich nicht geradlinig, sondern werden gestreut. Die chaotischen Magnetfelder von Galaxien mit einer Induktion von V ~10–6 Gauss (10–10 Tesla) bewegen sie entlang eines Kreises mit einem Radius (Gyroradius) R = E/3 × 10 4 B, wobei R in M E- Teilchenenergie in eV, V - Magnetfeldinduktion in Gauss. Bei moderaten Teilchenenergien E

Etwa in einer geraden Linie kommen nur Teilchen mit Energie aus der Quelle E> 10 19 eV. Daher zeigt die Richtung von EAS-erzeugenden Teilchen mit Energien von weniger als 10 19 eV nicht ihre Quelle an. In diesem Energiebereich bleibt nur noch die Sekundärstrahlung zu beobachten, die in den Quellen selbst durch Protonen und Kerne der kosmischen Strahlung erzeugt wird. Im Bereich der der Beobachtung zugänglichen Energien der Gammastrahlung ( E

Die Idee der kosmischen Strahlung als "lokales" galaktisches Phänomen erwies sich nur für Teilchen mit moderaten Energien als wahr E

1958 entdeckten Georgy Borisovich Khristiansen und German Viktorovich Kulikov eine scharfe Änderung in der Form des Energiespektrums der kosmischen Strahlung bei einer Energie in der Größenordnung von 3·10 15 eV. Bei Energien unterhalb dieses Wertes wurden die experimentellen Daten des Teilchenspektrums üblicherweise in einer "Power"-Form dargestellt, also der Anzahl der Teilchen N mit einer gegebenen Energie E wurde als umgekehrt proportional zur Teilchenenergie hoch γ angesehen: N(E) = a/Eγ (γ ist der Differentialindex des Spektrums). Bis zu einer Energie von 3 10 15 eV ist der Exponent γ = 2,7, aber bei höheren Energien erfährt das Energiespektrum einen „Knick“: für Energien E> 3·10 15 eV γ wird 3,15. Es liegt nahe, diese Veränderung des Spektrums mit der Annäherung der Energie beschleunigter Teilchen an den für den Beschleunigungsmechanismus in Supernovae errechneten maximal möglichen Wert in Verbindung zu bringen. Auch die Kernzusammensetzung von Primärteilchen im Energiebereich 10 15 –10 17 eV spricht für eine solche Erklärung des Spektrumbruchs. Die zuverlässigsten Informationen darüber geben die komplexen Installationen der EAS - "MSU", "Tunka", "Tibet", "Cascade". Mit ihrer Hilfe werden nicht nur Informationen über die Energie von Primärkernen gewonnen, sondern auch Parameter, die von ihren Ordnungszahlen abhängen - die "Breite" der Dusche, das Verhältnis zwischen der Anzahl von Elektronen und Myonen, zwischen der Anzahl der meisten energetische Elektronen und ihre Gesamtzahl. Alle diese Daten weisen darauf hin, dass mit einer Zunahme der Energie der Primärteilchen von der linken Grenze des Spektrums vor ihrem Bruch bis zur Energie nach dem Bruch deren Energie zunimmt Mittelgewicht. Eine solche Änderung der Massenzusammensetzung von Teilchen steht im Einklang mit dem Modell der Teilchenbeschleunigung in Supernovae - sie ist durch die maximale Energie begrenzt, die von der Ladung des Teilchens abhängt. Für Protonen liegt diese maximale Energie in der Größenordnung von 3·10 15 eV und nimmt proportional zur Ladung des beschleunigten Teilchens (Kerns) zu, sodass Eisenkerne effektiv auf ~10 17 eV beschleunigt werden. Die Intensität von Teilchenflüssen mit Energien, die das Maximum überschreiten, nimmt schnell ab.

Aber die Registrierung von Teilchen mit noch höheren Energien (~3·10 18 eV) zeigte, dass das Spektrum der kosmischen Strahlung nicht nur nicht bricht, sondern zu der Form zurückkehrt, die vor dem Bruch beobachtet wurde!

Energiespektrumsmessungen im "ultrahohen" Energiebereich ( E> 10 18 eV) sind aufgrund der geringen Anzahl solcher Teilchen sehr schwierig. Um diese seltenen Ereignisse zu beobachten, ist es notwendig, ein Netzwerk von EAS-Teilchenflussdetektoren und von ihnen erzeugter Vavilov-Cherenkov-Strahlung und Ionisationsstrahlung (atmosphärische Fluoreszenz) in der Atmosphäre auf einer Fläche von Hunderten und sogar Tausenden von Quadratkilometern zu schaffen. Für solche großen, komplexen Installationen werden Standorte mit begrenzter wirtschaftlicher Aktivität ausgewählt, die jedoch in der Lage sind, einen zuverlässigen Betrieb einer großen Anzahl von Detektoren zu gewährleisten. Solche Installationen wurden zuerst auf Flächen von mehreren zehn Quadratkilometern errichtet (Yakutsk, Havera Park, Akeno), dann auf Hunderten (AGASA, Fly’s Eye, HiRes) und schließlich entstehen jetzt Installationen von Tausenden von Quadratkilometern (Pierre Auger Observatory in Argentinien, Teleskopanlage in Utah, USA).

Der nächste Schritt in der Erforschung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung wird die Entwicklung einer Methode zur Aufzeichnung von EASs durch Beobachtung der atmosphärischen Fluoreszenz aus dem Weltraum sein. In Zusammenarbeit mit mehreren Ländern entsteht in Russland der erste EAS-Weltraumdetektor, das TUS-Projekt. Ein weiterer solcher Detektor soll im International installiert werden Raumstation ISS (Projekte JEM-EUSO und KLPVE).

Was wissen wir heute über ultrahochenergetische kosmische Strahlung? Die untere Abbildung zeigt das Energiespektrum der kosmischen Strahlung mit Energien über 10 18 eV, das auf Anlagen der neuesten Generation (HiRes, Pierre-Auger-Observatorium) gewonnen wurde, zusammen mit Daten über niederenergetische kosmische Strahlung, die, wie oben gezeigt, zu den Milchstraße. Es ist ersichtlich, dass bei Energien von 3 10 18 –3 10 19 eV der Index des differentiellen Energiespektrums auf einen Wert von 2,7–2,8 abgenommen hat, genau der gleiche Wert, der für galaktische kosmische Strahlung beobachtet wird, wenn die Teilchenenergien viel geringer sind als das für galaktische Beschleuniger maximal mögliche. Bedeutet dies nicht, dass bei ultrahohen Energien der Hauptteilchenstrom von Beschleunigern extragalaktischen Ursprungs erzeugt wird, deren maximale Energie viel höher als die galaktische ist? Der Bruch im Spektrum der galaktischen kosmischen Strahlung zeigt, dass sich der Beitrag der extragalaktischen kosmischen Strahlung beim Übergang vom Bereich mittlerer Energien von 1014–1016 eV stark ändert, wo er etwa 30-mal geringer ist als der Beitrag der galaktischen (Spektrum angedeutet durch die gepunktete Linie in der Figur), in den Bereich ultrahoher Energien, wo es dominant wird.

In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche astronomische Daten zu extragalaktischen Objekten gesammelt, die geladene Teilchen auf Energien weit über 10 19 eV beschleunigen können. offensichtliches Zeichen dass das Objekt groß ist D kann Teilchen zu Energie beschleunigen E, ist das Vorhandensein eines Magnetfelds B in diesem Objekt, so dass der Kreiselradius des Teilchens geringer ist D. Zu solchen Kandidatenquellen gehören Radiogalaxien (die starke Radioemissionen aussenden); Kerne aktiver Galaxien mit schwarzen Löchern; kollidierende Galaxien. Alle von ihnen enthalten Gasstrahlen (Plasma), die sich mit enormer Geschwindigkeit bewegen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Solche Strahlen spielen die Rolle von Stoßwellen, die für den Betrieb des Beschleunigers erforderlich sind. Um ihren Beitrag zur beobachteten Intensität der kosmischen Strahlung abzuschätzen, müssen die Verteilung der Quellen über Entfernungen von der Erde und der Energieverlust der Teilchen im intergalaktischen Raum berücksichtigt werden. Vor der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung schien der intergalaktische Raum nicht nur für elektromagnetische Strahlung, sondern auch für ultrahochenergetische Teilchen "leer" und transparent zu sein. Die Dichte von Gas im intergalaktischen Raum ist nach astronomischen Daten so gering (10–29 g/cm 3 ), dass selbst in großen Entfernungen von Hunderten von Milliarden Lichtjahren (10 24 m) Teilchen nicht auf Gaskerne treffen Atome. Als sich jedoch herausstellte, dass das Universum mit niederenergetischen Photonen gefüllt ist (etwa 500 Photonen/cm 3 mit Energie E f ~10 –3 eV) vom Urknall übrig geblieben, wurde deutlich, dass Protonen und Kerne mit Energien größer als E~5 10 19 eV, die Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)-Grenze, sollte mit Photonen interagieren und dabei mehr als zehn Millionen Lichtjahre verlieren Über den größten Teil deiner Energie. So stellte sich heraus, dass der weitaus größte Teil des Universums, der sich in Entfernungen von mehr als 10 7 Lichtjahren von uns befindet, für Strahlen mit einer Energie von mehr als 5·10 19 eV für die Beobachtung unzugänglich war. Die neuesten experimentellen Daten zum Spektrum ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung (HiRes-Anlage, Pierre-Auger-Observatorium) bestätigen die Existenz dieser Energiegrenze für von der Erde aus beobachtete Teilchen.

Wie man sieht, ist es äußerst schwierig, den Ursprung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung zu untersuchen: Die meisten möglichen Quellen der energiereichsten kosmischen Strahlung (oberhalb der GZK-Grenze) sind so weit entfernt, dass Teilchen auf ihrem Weg zur Erde sind verlieren die in der Quelle gewonnene Energie. Und bei Energien kleiner als die GZK-Grenze die Abweichung der Teilchen Magnetfeld Die Galaxien sind immer noch groß, und die Ankunftsrichtung der Teilchen wird wahrscheinlich keinen Rückschluss auf die Position der Quelle auf der Himmelskugel zulassen.

Bei der Suche nach Quellen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung ist eine Analyse der Korrelation der experimentell gemessenen Teilchenankunftsrichtung mit ausreichend hohe Energien- so dass die Felder der Galaxie Teilchen leicht von der Richtung zur Quelle ablenken. Anlagen der vorherigen Generation haben noch keine überzeugenden Daten über die Korrelation der Einfallsrichtung von Teilchen mit den Koordinaten einer besonders ausgezeichneten Klasse von astrophysikalischen Objekten geliefert. Die neuesten Daten des Pierre-Auger-Observatoriums können als Hoffnung angesehen werden, in den kommenden Jahren Daten über die Rolle von AGN-Typ-Quellen bei der Entstehung zu erhalten schwere Ströme Teilchen mit einer Energie in der Größenordnung des GZK-Limits.

Interessanterweise hat die AGASA-Anlage Hinweise auf die Existenz von "leeren" Richtungen (solche, in denen es keine bekannten Quellen gibt) geliefert, entlang denen zwei oder sogar drei Teilchen während der Beobachtungszeit ankommen. Es verursachte Großes Interesse von Physikern, die sich mit Kosmologie befassen - der Wissenschaft von der Entstehung und Entwicklung des Universums, die untrennbar mit der Elementarteilchenphysik verbunden ist. Es stellt sich heraus, dass in einigen Modellen zum Aufbau des Mikrokosmos und der Entwicklung des Universums (der Urknalltheorie) die Erhaltung von supermassereichen Elementarteilchen mit einer Masse von etwa 10 23 –10 24 eV im modernen Universum vorhergesagt wird, von welchem frühen Zeitpunkt Urknall. Ihre Verteilung im Universum ist nicht sehr klar: Sie können entweder gleichmäßig im Raum verteilt sein oder in massive Regionen des Universums "gezogen" werden. Ihr Hauptmerkmal ist, dass diese Teilchen instabil sind und in leichtere zerfallen können, einschließlich stabiler Protonen, Photonen und Neutrinos, die enorme kinetische Energien erlangen - mehr als 10 20 eV. Orte, an denen solche Teilchen konserviert sind (topologische Defekte des Universums), können Quellen von Protonen, Photonen oder ultrahochenergetischen Neutrinos sein.

Wie im Fall von galaktischen Quellen wird die Existenz extragalaktischer Beschleuniger ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung durch die Daten von Gammastrahlendetektoren bestätigt, beispielsweise Teleskopen der HESS-Anlage, die auf die oben aufgeführten extragalaktischen Objekte gerichtet sind - Kandidaten für kosmische Strahlung Quellen.

Unter ihnen erwiesen sich die Kerne aktiver Galaxien (AGN) mit Gasjets als die vielversprechendsten. Eines der am besten untersuchten Objekte an der HESS-Anlage ist die Galaxie M87 im Sternbild Jungfrau, die 50 Millionen Lichtjahre von unserer Galaxie entfernt ist. In seinem Zentrum befindet sich ein Schwarzes Loch, das Energie für Prozesse in seiner Nähe und insbesondere für einen riesigen Plasmastrahl liefert, der zu dieser Galaxie gehört. Die Beschleunigung der kosmischen Strahlung in M87 wird direkt durch Beobachtungen seiner Gammastrahlung bestätigt, deren Energiespektrum von Photonen mit einer Energie von 1–10 TeV (10 12 –10 13 eV) an der HESS-Anlage beobachtet wurde. Die beobachtete Intensität der Gammastrahlung von M87 beträgt etwa 3 % der des Krebses. Unter Berücksichtigung des Abstandsunterschieds zu diesen Objekten (5000-fach) bedeutet dies, dass die Leuchtkraft von M87 die Leuchtkraft des Krebses um das 25-Millionen-fache übersteigt!

Für dieses Objekt erstellte Modelle der Teilchenbeschleunigung zeigen, dass die Intensität der in M87 beschleunigten Teilchen so hoch sein kann, dass der Beitrag dieser Quelle selbst in einer Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren die beobachtete Intensität der kosmischen Strahlung mit Energien über 10 19 liefern kann eV.

Aber hier ist das Rätsel: In modernen Daten zu EASs in Richtung dieser Quelle gibt es keinen Überschuss an Teilchen mit einer Energie in der Größenordnung von 10 19 eV. Aber wird sich diese Quelle nicht in den Ergebnissen zukünftiger Weltraumexperimente bei solchen Energien manifestieren, wenn entfernte Quellen nicht mehr zu den beobachteten Ereignissen beitragen? Die Situation mit einem Einbruch im Energiespektrum kann sich beispielsweise bei einer Energie von 2·10 20 noch einmal wiederholen. Aber dieses Mal sollte die Quelle bei Messungen der Bahnrichtung der Primärteilchen sichtbar sein, da die Energien > 2·10 20 eV so hoch sind, dass die Teilchen in den galaktischen Magnetfeldern nicht abgelenkt werden sollten.

Wie Sie sehen können, warten wir nach einer hundertjährigen Geschichte der Erforschung kosmischer Strahlung erneut auf neue Entdeckungen, diesmal auf ultrahochenergetische kosmische Strahlung, deren Natur noch unbekannt ist, die jedoch eine wichtige Rolle spielen kann Struktur des Universums.

Literatur:
1) Dobrotin N.A. kosmische Strahlung. - M.: Hrsg. Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1963.
2) Murzin V.S. Einführung in die Physik der kosmischen Strahlung. - M.: Hrsg. Staatliche Universität Moskau, 1988.
3) Panasjuk M.I. Wanderers of the Universe oder Echoes of the Big Bang. - Fryasino: "Vek2", 2005.
4) Rossi B. kosmische Strahlung. - M.: Atomizdat, 1966.
5) Khrenov B.A. Relativistische Meteore// Wissenschaft in Russland, 2001, Nr. 4.
6) Khrenov B.A. und Panasyuk M.I. Kosmische Boten: fern oder nah?// Natur, 2006, Nr. 2.
7) Khrenov B.A. und Klimov P.A. Eröffnung erwartet// Natur, 2008, Nr. 4.

Die Naturschutzgesetze wurden in allen in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Fällen strikt eingehalten. Als sich eines der Gesetze als unvollkommen herausstellte, musste es anders ausgelegt werden. Damit wurde der alte Massenerhaltungssatz erweitert und zu einem allgemeineren Energieerhaltungssatz gemacht. Auf der anderen Seite, als die erwarteten Ereignisse tatsächlich nicht eintraten, kamen sie auf neues Gesetz Erhaltung (wie es beim Gesetz zur Erhaltung der Baryonenzahl der Fall war). Es ist jedoch nicht immer einfach zu beweisen, dass die Erhaltungssätze genau gelten. Eine besonders mysteriöse Situation entstand zu Beginn der Entwicklung der Kernphysik bei der Untersuchung der kinetischen Energie von Teilchen, die von radioaktiven Substanzen emittiert wurden.

Die Energie eines &bgr;-Teilchens kann bestimmt werden, indem die Massen des anfänglichen radioaktiven Kerns, des &bgr;-Teilchens und des endgültigen Kerns gemessen werden. Die Gesamtmasse des &agr;-Teilchens und des endgültigen Kerns sollte etwas geringer sein als die Masse des Ausgangskerns, und das Energieäquivalent der fehlenden Masse sollte gleich der kinetischen Energie des &bgr;-Teilchens sein. Erst in den 20er Jahren unseres Jahrhunderts konnten Physiker die Massen verschiedener Kerne und anderer Teilchen mit hoher Genauigkeit messen. Sie machten jedoch einige wichtige Schlussfolgerungen über Teilchenenergien, ohne den genauen Wert der Massen zu kennen.

Betrachten Sie Thorium-232, das in ein &bgr;-Teilchen (Helium-4) und Radium-228 zerfällt. Alle Thorium-232-Kerne haben die gleiche Masse. Auch die Massen aller Radium-228-Kerne haben den gleichen Wert wie die Massen aller ?-Teilchen. Ohne die Größe dieser Massen zu kennen, kann man immer noch sagen, dass jedes Mal, wenn ein Thorium-232-Atom ein &bgr;-Teilchen emittiert, das Massendefizit gleich sein muss und folglich auch die kinetische Energie der &bgr;-Teilchen das gleiche. Mit anderen Worten, Thorium-232 muss ?-Teilchen mit der gleichen Energie emittieren.

Wie bestimmt man die kinetische Energie von? -Teilchen? Es ist bekannt, dass je größer die Energie eines &bgr;-Teilchens ist, desto tiefer dringt es in Materie ein. ?-Teilchen werden stark abgebremst dünne Schicht fester Stoff, kann aber eine wenige Zentimeter dicke Luftschicht passieren. In diesem Fall übertragen die &bgr;-Teilchen kontinuierlich Energie auf die Luftmoleküle, mit denen sie kollidieren, werden allmählich langsamer und werden schließlich, indem sie Elektronen einfangen, zu gewöhnlichen Heliumatomen. In diesem Zustand können sie mit den Nachweisverfahren für &bgr;-Teilchen nicht mehr nachgewiesen werden, so dass sie tatsächlich verschwinden.

Sie können ? -Partikel mit einem Film erkennen chemische Verbindung Zinksulfid genannt. Jedes Mal, wenn ein &bgr;-Teilchen auf einen solchen Film trifft, erzeugt es einen schwachen Lichtblitz. Wenn neben einer Quelle von?-Partikeln (z. B. ein Stück Thorium-232 in einem Bleibehälter mit einer sehr engen Öffnung) Szintillationszähler, dann entspricht die Anzahl der Blitze der Anzahl der gebildeten ?-Teilchen. Wenn der Szintillationszähler immer weiter von der Quelle entfernt platziert wird, müssen die α-Teilchen immer mehr Luft passieren, um in ihn zu gelangen. Wenn ?-Teilchen mit unterschiedlichen Energien emittiert würden, dann würden die mit der niedrigsten Energie sehr schnell verschwinden, „energetischere“ ?-Teilchen würden einen längeren Weg in der Luft zurücklegen usw. Als Ergebnis bewegt sich der Szintillationszähler von Die Quelle, die Zahl der in den Zähler fallenden Euro müsste allmählich abnehmen. Wenn die ?-Teilchen mit der gleichen Energie emittiert würden, würden sie alle den gleichen Weg durch die Luft zurücklegen. Folglich müsste der Szintillationszähler die gleiche Anzahl von Teilchen registrieren, wenn er sich von der Quelle entfernt, bis zu einem bestimmten kritischen Punkt, ab dem er keinen einzigen Blitz mehr registrieren würde.

Dieses Phänomen wurde 1904 von dem englischen Physiker William Henry Bragg beobachtet. Fast alle ?-Teilchen, die von Kernen desselben Elements emittiert werden, haben dieselbe Energie und dieselbe Durchdringungskraft. Alle?-Partikel von Thorium-232 gingen durch eine Luftschicht mit einer Dicke von 2,8 cm, alle? -Partikel von Radium-226- 3.3 cm, a?-Partikel von Polonium-212 - 8.6 cm. Tatsächlich gibt es einige Abweichungen. 1929 wurde entdeckt, dass ein kleiner Bruchteil der Teilchen desselben radioaktiven Kerns ungewöhnlich groß sein kann kinetische Energie und mehr Durchschlagskraft als andere. Der Grund dafür ist, dass sich der ursprüngliche radioaktive Kern möglicherweise in einem der befindet aufgeregte Zustände. In angeregten Zuständen haben Kerne mehr Energie als in ihrem Normalzustand. Grundzustand. Wenn der Kern ein &agr;-Teilchen emittiert, erhält das &bgr;-Teilchen in einem angeregten Zustand zusätzliche Energie. Als Ergebnis werden zusätzlich zu der Hauptgruppe von &agr;-Teilchen kleine Gruppen von &bgr;-Teilchen mit einer höheren Durchdringungskraft gebildet, eine Gruppe für jeden angeregten Zustand.

Wenn ein radioaktiver Kern aus dem Zerfall eines anderen Kerns entsteht, befindet er sich manchmal von dem Moment seiner Bildung an in einem angeregten Zustand. Dann haben die meisten der von ihm emittierten &bgr;-Teilchen eine ungewöhnlich hohe Energie, und &bgr;-Teilchen mit niedrigerer Energie bilden kleine Gruppen. Diese getrennten Gruppen von ?-Teilchen (von 2 bis 13) mit unterschiedlichen Energien bilden sich Angebot?-Teilchen dieses Kerns. Jede Komponente des Spektrums entspricht wie erwartet einem der angeregten Zustände des Kerns. Damit ist der Energieerhaltungssatz von ?-Teilchen erfüllt, was man bei ?-Teilchen nicht sagen kann.

Energie?-Teilchen

Wenn alle für &bgr;-Teilchen gezogenen Schlussfolgerungen auf &bgr;-Teilchen anwendbar wären und die betrachteten Energiebeziehungen erfüllt wären, würden alle &bgr;-Teilchen, die während des Zerfalls von Kernen gebildet werden, dieselbe kinetische Energie haben. Allerdings entstand bereits um 1900 der Eindruck, dass β-Teilchen mit beliebiger Energie bis zu einem bestimmten Maximalwert emittiert wurden. In den nächsten fünfzehn Jahren häuften sich die Beweise allmählich, bis absolut klar wurde, dass die Energien von &bgr;-Teilchen ein kontinuierliches Spektrum bilden.

Jeder Kern, der beim Zerfallsprozess ein ?-Teilchen emittiert, verliert eine bestimmte Menge von Massen. Die Massenabnahme muss der kinetischen Energie des ?-Teilchens entsprechen. In diesem Fall übersteigt die kinetische Energie eines &bgr;-Teilchens eines der uns bekannten radioaktiven Kerne nicht die Energie, die einer Massenabnahme entspricht. Somit entspricht die Massenabnahme während eines radioaktiven Zerfalls dem Maximalwert der kinetischen Energie der bei diesem Zerfall gebildeten &bgr;-Teilchen.

Aber nach dem Energieerhaltungssatz sollte keines der &bgr;-Teilchen eine kinetische Energie haben, die kleiner ist als die Energie, die einer Massenabnahme entspricht, d. h. die maximale kinetische Energie des &bgr;-Teilchens muss gleichzeitig minimal sein. In Wirklichkeit ist dies nicht so. Sehr oft werden ?-Teilchen mit einer geringeren kinetischen Energie emittiert, als zu erwarten wäre, und der dem Gesetz entsprechende Maximalwert

Energieerhaltung kaum auch nur ein?-Teilchen erreicht. Einige?-Teilchen haben eine kinetische Energie etwas unter dem Maximalwert, andere - viel weniger, der Rest - viel weniger. Der gebräuchlichste Wert der kinetischen Energie ist ein Drittel des Maximalwerts. Im Allgemeinen kann mehr als die Hälfte der Energie, die durch die Massenabnahme bei radioaktiven Zerfällen, begleitet von der Bildung von ?-Teilchen, entstehen sollte, nicht erfasst werden.

Schon in den zwanziger Jahren neigten viele Physiker dazu, den Energieerhaltungssatz zumindest für die Prozesse, bei denen ?-Teilchen entstehen, aufzugeben. Die Aussicht war beunruhigend, da das Gesetz in allen anderen Fällen galt. Aber gibt es eine andere Erklärung für dieses Phänomen?

1931 stellte Wolfgang Pauli folgende Hypothese auf: Das ?-Teilchen erhält nicht die gesamte Energie, weil ein zweites Teilchen entsteht, das die restliche Energie abtransportiert. Energie kann zwischen zwei Teilchen in beliebigem Verhältnis verteilt werden. In einigen Fällen wird fast die gesamte Energie auf das Elektron übertragen, und dann hat es eine fast maximale kinetische Energie, was einer Abnahme der Masse entspricht.

Manchmal wird fast die gesamte Energie auf das zweite Teilchen übertragen, dann ist die Energie des Elektrons tatsächlich Null. Wenn die Energie gleichmäßiger zwischen zwei Teilchen verteilt ist, hat das Elektron Zwischenwerte der kinetischen Energie.

Welches Teilchen erfüllt Paulis Annahme? Erinnern Sie sich daran?-Teilchen entstehen immer dann, wenn sich ein Neutron im Kern in ein Proton verwandelt. Bei der Betrachtung der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton ist es zweifellos einfacher, mit einem freien Neutron umzugehen. Das Neutron war noch nicht entdeckt worden, als Pauli seine Theorie zum ersten Mal vorschlug. Wir können die Rückschau nutzen.

Wenn ein freies Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt, fliegt letzteres mit einer beliebigen kinetischen Energie bis zum Maximum heraus, was ungefähr 0,78 entspricht mev. Die Situation ist analog zur Emission eines radioaktiven Kern? -Teilchens, daher muss bei der Betrachtung des Zerfalls eines freien Neutrons das Pauli-Teilchen berücksichtigt werden.

Bezeichne das Pauli-Teilchen X und versuchen Sie, seine Eigenschaften herauszufinden. Schreiben wir die Neutronenzerfallsreaktion:

P> p++ e -+ X.

Wenn beim Zerfall eines Neutrons der Ladungserhaltungssatz erfüllt ist, X-Teilchen muss neutral sein. Tatsächlich ist 0=1–1+0. Wenn ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt, beträgt der Massenverlust 0,00029 Einheiten auf der atomaren Massenskala, was ungefähr der Hälfte der Masse des Elektrons entspricht. Wenn x-Teilchen erhielt sogar die gesamte Energie, die durch das Verschwinden der Masse gebildet wurde, und wenn die gesamte Energie in die Bildung der Masse ging, die Masse X wäre nur die halbe Masse eines Elektrons. Somit, x-Teilchen muss leichter sein als ein Elektron. Tatsächlich sollte es viel leichter sein, da das Elektron normalerweise den größten Teil der freigesetzten Energie und manchmal fast die gesamte Energie erhält. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass die Energie übertragen wird X-Teilchen, verwandelt sich vollständig in eine Masse; Ein Großteil davon wird in kinetische Energie umgewandelt X-Partikel. Im Laufe der Jahre Gewichtsschätzung X-Partikel wurden immer weniger. Endlich wurde das klar X-Teilchen hat wie ein Photon keine Masse, d.h. wie ein Photon breitet es sich vom Moment seines Auftretens an mit Lichtgeschwindigkeit aus. Wenn die Energie eines Photons von der Wellenlänge abhängt, ist die Energie X-Partikel hängt von etwas Ähnlichem ab.

Das Pauli-Teilchen hat also weder Masse noch Ladung, und es wird deutlich, warum es „unsichtbar“ bleibt. Geladene Teilchen werden normalerweise durch die Ionen nachgewiesen, die sie bilden. Das ungeladene Neutron wurde aufgrund seiner großen Masse entdeckt. Ein Teilchen ohne Masse und ohne Ladung verwirrt den Physiker und nimmt ihm jede Möglichkeit, es zu fangen und zu studieren.

Kurz darauf schlug Pauli die Existenz vor X-Partikel, sie hat einen Namen. Zuerst wollte man es "Neutron" nennen, da es nicht geladen ist, aber ein Jahr nach dem Erscheinen der Pauli-Hypothese entdeckte Chadwick ein schweres ungeladenes Teilchen, das diesen Namen erhielt. Das meint der italienische Physiker Enrico Fermi X-Teilchen ist viel leichter als Chadwicks Neutron, vorgeschlagen, um das x-Teilchen zu benennen Neutrino, was auf Russisch "etwas Kleines, Neutrales" bedeutet. Der Vorschlag war sehr erfolgreich und heißt seitdem so. Neutrinos werden normalerweise bezeichnet griechischer Brief? "nackt" ) und Neutronenzerfall wird wie folgt geschrieben:

P> p++ e -+ ?..

Neutrino ist unerlässlich

Paulis Hypothese über die Existenz des Neutrinos und die anschließende detaillierte Theorie der Neutrino-Produktion, die von Fermi aufgestellt wurde, wurden von den Physikern unterschiedlich aufgenommen. Niemand war bereit, den Energieerhaltungssatz aufzugeben, obwohl es ernsthafte Zweifel an der Notwendigkeit gab, dieses Gesetz mit einem Teilchen ohne Masse und ohne Ladung zu retten, einem Teilchen, das nicht nachgewiesen werden kann, einem Teilchen, dessen einzige Existenzberechtigung war einfach der Wunsch, das Energieerhaltungsgesetz zu retten. Einige Physiker hielten es für ein Geisterteilchen, eine Art Trick, um die Energie "Buchhaltung" zu sparen. Tatsächlich war das Konzept des Neutrinos nur eine Art zu sagen, dass "das Gesetz der Energieerhaltung nicht gilt". Der Energieerhaltungssatz war nicht der einzige, der durch Neutrinos gerettet wurde.

Stellen Sie sich ein stationäres Neutron vor, dh ein Neutron mit Nullimpuls relativ zum Beobachter. Bei seinem Zerfall muss der Gesamtimpuls von Proton und Elektron gleich Null sein, wenn beim Zerfall nur zwei Teilchen entstehen. Das Elektron muss in die eine Richtung ausfliegen und das Proton in genau die entgegengesetzte Richtung (jedoch langsamer, da seine Masse größer ist). ).

Dies ist jedoch nicht der Fall. Ein Elektron und ein Proton werden in Richtungen emittiert, die einen bestimmten Winkel bilden. Ein kleiner Gesamtimpuls in Richtung des Teilchenaustritts erscheint wie aus dem Nichts, und der Impulserhaltungssatz wird verletzt. Entsteht dabei jedoch ein Neutrino, kann es in eine solche Richtung ausfliegen, dass es den Gesamtimpuls der beiden anderen Teilchen genau kompensiert (Abb. 6).

Mit anderen Worten, der Impulserhaltungssatz ist nur dank des Neutrinos erfüllt.

Reis. 6. Neutronenzerfall.

Es ist leicht zu sehen, dass die Situation beim Drehimpuls ähnlich ist. Neutron, Proton und Elektron haben jeweils einen Spin von +1/2 oder -1/2. Nehmen wir an, der Neutronenspin sei +1/2. Bei seinem Zerfall sollte der Gesamtspin von Proton und Elektron gleich +1/2 sein, wenn der Drehimpulserhaltungssatz gilt und nur diese beiden Teilchen beim Zerfall entstehen. Ist es möglich? Die Spins eines Protons und eines Elektrons können gleich +1/2 und +1/2 sein; +1/2 und -1/2; -1/2 und -1/2, d.h. der Gesamtspin beider Teilchen ist +1, 0 bzw. -1. Es ist nicht und kann niemals +1/2 oder -1/2 sein, wenn der Spin des Neutrons am Anfang -1/2 war. Kurz gesagt, wenn das Neutron nur in ein Proton und ein Elektron zerfällt, wird der Drehimpulserhaltungssatz verletzt.

Aber angenommen, der Zerfall erzeugt ein Neutrino mit einem Spin von +1/2 oder -1/2. Dann ist der Gesamtspin der drei während des Zerfalls gebildeten Teilchen immer gleich dem Spin des ursprünglichen Neutrons. Folglich „speichert“ die Existenz von Neutrinos mindestens drei Gesetze: das Gesetz der Energieerhaltung, des Impulses und des Drehimpulses. Es ist bemerkenswert, dass dasselbe Teilchen dreifache Arbeit leistet.

Es ist schwer zu sagen, was schlimmer war: die Existenz eines mysteriösen, gespenstischen Teilchens oder die Verletzung eines Erhaltungsgesetzes zuzugeben. Es ist viel einfacher, eine Wahl zwischen einem Geisterteilchen und einer Verletzung von drei Erhaltungssätzen auf einmal zu treffen. Physiker mussten ein Geisterteilchen auswählen. Allmählich wurde die Existenz von Neutrinos von Nuklearwissenschaftlern erkannt. Sie hörten auf, an der Realität des Neutrinos zu zweifeln, ob sie es nachweisen konnten oder nicht.

Erhaltung der Leptonzahl

Das Neutrino rettet nicht nur drei Erhaltungssätze, sondern schafft auch einen neuen. Um zu verstehen, wie dies geschieht, betrachten Sie Neutrinos in Bezug auf Antiteilchen.

Das Antineutron zerfällt in ein Antiproton und ein Positron (Antielektron). Die Situation ist analog zum Zerfall eines Neutrons. Das Positron fliegt mit weniger kinetischer Energie heraus, als es sollte, das Positron und das Antiproton fliegen nicht in entgegengesetzte Richtungen auseinander, und ihre Spins addieren sich nicht richtig. Das Hinzufügen von Neutrinos gleicht auch in diesem Fall alles aus.

Natürlich stellt sich die Frage: Wird beim Zerfall eines Antineutrons und beim Zerfall eines Neutrons dasselbe Neutrino gebildet?

Es ist leicht zu beweisen, dass Neutrinos verschieden sind. Ein Neutrino, das wie ein Neutron einen Spin hat, erzeugt ein Magnetfeld, das zwei verschiedene Richtungen hat. Daher existieren Neutrino und Antineutrino genauso wie Neutron und Antineutrino. Beim Zerfall eines Neutrons entsteht einer der Neutrinozwillinge, beim Zerfall eines Antineutrons ein anderer. Aber welche von ihnen begleitet diesen Verfall?

Ich habe bereits das Erhaltungsgesetz der Baryonenzahl beschrieben, das besagt, dass die gesamte Baryonenzahl eines abgeschlossenen Systems konstant bleibt. Gibt es ein ähnliches Leptonenzahlerhaltungssatz, wonach die Gesamtleptonenzahl eines abgeschlossenen Systems unverändert bleibt? Warum sollten wir von Leptonen nicht dasselbe verlangen wie von Baryonen? Bezieht man das Neutrino nicht mit ein, dann geht das leider nicht.

Wir schreiben dem Elektron zu Lepton-Zahl+1 und ein Positron oder Antielektron - Leptonzahl -1. Ein Photon, das sein eigenes Antiteilchen ist, kann weder eine Leptonzahl von +1 noch -1 haben, und es wäre logisch, ihm eine Leptonzahl von null zuzuordnen. Alle Baryonen haben auch null Leptonzahlen.

Kehren wir noch einmal zum Zerfall des Neutrons zurück. Beginnen wir mit einem Neutron, das eine Baryonenzahl von 1 und eine Leptonenzahl von null hat. Nehmen Sie an, dass beim Zerfall eines Neutrons nur ein Proton und ein Elektron entstehen. Das Proton und das Elektron müssen eine Gesamtzahl von Baryonen von 1 und eine Gesamtzahl von Leptonen von 0 haben, wenn diese beiden Zahlen erhalten bleiben. Tatsächlich ist die Summe der Baryonenzahlen zweier Teilchen gemäß dem Erhaltungssatz der Baryonenzahl +1 (d. h. 1 + 0). Die Gesamtleptonenzahl von Proton und Elektron ist ebenfalls +1 (d. h. 1 + 0), obwohl die Leptonenzahl zu Beginn der Reaktion Null war. Daher bleibt die Leptonenzahl nicht erhalten.

Nehmen wir an, Neutrinos und Antineutrinos mit der Leptonzahl +1 bzw. -1 gehören zu den Leptonen. Wenn dann ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfällt, bleibt die Leptonenzahl erhalten (0 + 1–1 = 0), und der Zerfall kann wie folgt geschrieben werden:

P> p++ e -+ "?,

wo "? - Antineutrino.

Beim Zerfall eines Antineutrons mit der Leptonenzahl null entstehen ein Antiproton, ein Positron und ein Neutrino. Die Leptonenzahlen der drei gebildeten Teilchen sind 0, -1 bzw. +1, und ihre Summe ist null:

"P> "R -+ "e++ ?.

Im freien Zustand zerfallen Neutronen und Antineutronen in Protonen und Antiprotonen, der umgekehrte Fall tritt nicht ein. In Kernen wandeln sich Protonen jedoch manchmal spontan in Neutronen um (z. B. im Fall von Phosphor-30). In ähnlicher Weise verwandeln sich Antiprotonen in Antimaterie in Antineutronen.

Wenn aus einem Proton ein Neutron wird, entstehen ein Positron und ein Neutrino:

p + > n + "e + + ?.

Wenn aus einem Antiproton ein Antineutron wird, entstehen ein Elektron und ein Antineutrino:

"p - >" n + e - + ?.

In beiden Fällen bleibt die Leptonenzahl erhalten. Zusammenfassend können wir sagen, dass bei der Emission eines Elektrons ein Antineutrino und bei der Emission eines Positrons ein Neutrino entstehen muss, damit am Ende des Zerfalls die Leptonenzahl gleich Null ist.

Berücksichtigt man Neutrinos und Antineutrinos, bleibt die Leptonenzahl in allen untersuchten subatomaren Prozessen erhalten. Die Existenz von Neutrinos und Antineutrinos rettete also nicht nur die Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Drehimpuls, sondern ermöglichte auch die Aufstellung des Erhaltungssatzes der Leptonenzahl. Daher war es für Physiker sehr schwierig, die Existenz dieser Teilchen nicht zu erkennen.

Anmerkungen:

Je größer die Durchdringungskraft von ?-Teilchen eines gegebenen Kerns ist, desto größer ist das Massendefizit beim radioaktiven Zerfallsprozess und der wahrscheinlicher dieser Zerfall, d.h. je größer die Durchdringungskraft von ?-Teilchen, desto weniger Zeitraum Halbwertszeit des Kerns. Wenn Thorium-232 eine Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren hat, beträgt die Halbwertszeit von Radium-226 1620 Jahre und Polonium-212 drei Zehnmillionstel Sekunden.

Wenn ich versucht wäre, das Konzept der Neutrinos ganz am Anfang des Buches einzuführen, wäre es tatsächlich schwierig zu beweisen, dass Neutrinos nicht die Frucht wissenschaftlicher Mystik sind. Da aber die erste Hälfte des Buches Sinn und Bedeutung von Erhaltungssätzen betont, lässt sich nun zeigen, dass das Neutrino trotz all seiner seltsamen Eigenschaften ein reales und absolut notwendiges Teilchen ist.