12.4. Ενέργεια σχετικιστικού σωματιδίου

12.4.1. Ενέργεια σχετικιστικού σωματιδίου

Ολική Ενέργειαενός σχετικιστικού σωματιδίου αποτελείται από την ενέργεια ηρεμίας του σχετικιστικού σωματιδίου και την κινητική του ενέργεια:

E = E 0 + T ,

Ισοδυναμία μάζας και ενέργειας(ο τύπος του Αϊνστάιν) μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την ενέργεια ηρεμίας ενός σχετικιστικού σωματιδίου και τη συνολική του ενέργεια ως εξής:

• ενέργεια ανάπαυσης -

E 0 = m 0 c 2 ,

όπου m 0 είναι η ηρεμία μάζα του σχετικιστικού σωματιδίου (η μάζα του σωματιδίου στο δικό του πλαίσιο αναφοράς). c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s;

• συνολική ενέργεια -

E = mc2,

όπου m είναι η μάζα ενός κινούμενου σωματιδίου (η μάζα ενός σωματιδίου που κινείται σε σχέση με τον παρατηρητή με σχετικιστική ταχύτητα v). c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

Σχέση μεταξύ μαζών mΤο 0 (μάζα ενός σωματιδίου σε ηρεμία) και το m (μάζα ενός κινούμενου σωματιδίου) καθορίζονται από την έκφραση

Κινητική ενέργειαΤο σχετικιστικό σωματίδιο καθορίζεται από τη διαφορά:

T = E − E 0 ,

όπου E είναι η συνολική ενέργεια του κινούμενου σωματιδίου, E = mc 2 ; E 0 - ενέργεια ηρεμίας του καθορισμένου σωματιδίου, E 0 = m 0 c 2 ; Οι μάζες m 0 και m σχετίζονται με τον τύπο

m = m 0 1 − v 2 c 2,

όπου m 0 είναι η μάζα του σωματιδίου στο πλαίσιο αναφοράς σε σχέση με το οποίο το σωματίδιο βρίσκεται σε ηρεμία. m είναι η μάζα του σωματιδίου στο πλαίσιο αναφοράς σε σχέση με την οποία το σωματίδιο κινείται με ταχύτητα v. c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.

Ρητά κινητική ενέργειασχετικιστικό σωματίδιο ορίζεται από τον τύπο

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

Παράδειγμα 6. Η ταχύτητα ενός σχετικιστικού σωματιδίου είναι το 80% της ταχύτητας του φωτός. Προσδιορίστε πόσες φορές η συνολική ενέργεια του σωματιδίου είναι μεγαλύτερη από την κινητική του ενέργεια.

Λύση . Η συνολική ενέργεια ενός σχετικιστικού σωματιδίου αποτελείται από την ενέργεια ηρεμίας του σχετικιστικού σωματιδίου και την κινητική του ενέργεια:

E = E 0 + T ,

όπου Ε είναι η συνολική ενέργεια ενός κινούμενου σωματιδίου. E 0 - ενέργεια ηρεμίας του καθορισμένου σωματιδίου. T είναι η κινητική του ενέργεια.

Από αυτό προκύπτει ότι η κινητική ενέργεια είναι η διαφορά

T = E − E 0 .

Η απαιτούμενη ποσότητα είναι η αναλογία

E T = E E − E 0 .

Για να απλοποιήσουμε τους υπολογισμούς, ας βρούμε το αντίστροφο της επιθυμητής τιμής:

T E = E − E 0 E = 1 − E 0 E ,

όπου E 0 = m 0 c 2 ; E = mc2; m 0 - μάζα ανάπαυσης. m είναι η μάζα του κινούμενου σωματιδίου. c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις για Ε0 και Ε στην αναλογία (Τ/Ε) δίνεται

T E = 1 − m 0 c 2 m c 2 = 1 − m 0 m .

Η σχέση μεταξύ των μαζών m 0 και m καθορίζεται από τον τύπο

m = m 0 1 − v 2 c 2,

όπου v είναι η ταχύτητα του σχετικιστικού σωματιδίου, v = 0,80c.

Ας εκφράσουμε την αναλογία μάζας από εδώ:

m 0 m = 1 − v 2 c 2

και αντικαταστήστε το σε (T/E):

T E = 1 − 1 − v 2 c 2 .

Ας υπολογίσουμε:

T E = 1 − 1 − (0,80 c) 2 c 2 = 1 − 0,6 = 0,4.

Η απαιτούμενη ποσότητα είναι η αντίστροφη αναλογία

E T = 1 0,4 = 2,5 .

Η συνολική ενέργεια ενός σχετικιστικού σωματιδίου στην υποδεικνυόμενη ταχύτητα υπερβαίνει την κινητική του ενέργεια κατά 2,5 φορές.

Σελίδα 1

Η μέγιστη ενέργεια σωματιδίων σε μια γεννήτρια Van de Graaff, όπως σε κάθε άμεσο επιταχυντή, περιορίζεται από την τάση διάσπασης μεταξύ της σφαίρας και των γύρω αντικειμένων. Ακόμη και με τις πιο προσεκτικές προφυλάξεις, οι υπάρχουσες εγκαταστάσεις δεν μπορούν να αυξήσουν την τάση διακοπής πάνω από δέκα εκατομμύρια βολτ.

Ας υπολογίσουμε τη μέγιστη ενέργεια του σωματιδίου. Ο συντελεστής V2 στην τιμή πλάτους του πεδίου EQ λαμβάνεται επειδή υπολογίζεται η μέση τιμή του πεδίου κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου των ταλαντώσεων.

Ας υπολογίσουμε τη μέγιστη ενέργεια του σωματιδίου. Ο συντελεστής 1/2 για την τιμή πλάτους Ε0 του πεδίου προκύπτει επειδή υπολογίζεται η μέση τιμή του πεδίου κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου των ταλαντώσεων.

Ας υπολογίσουμε τη μέγιστη ενέργεια του σωματιδίου.

Η τιμή W, ίση με τη μέγιστη ενέργεια σωματιδίων σε 0 K, ονομάζεται ενεργειακό επίπεδο Fermi ή απλά επίπεδο Fermi.

Η απώλεια ενέργειας από τις κοσμικές ακτίνες περιορίζει τη μέγιστη ενέργεια των σωματιδίων που αποτελούν τις κοσμικές ακτίνες. αυτός ο περιορισμός εξαρτάται από την ηλικία του σωματιδίου. Την περίοδο 1969 - 1971. πειράματα πυραύλων απέδωσαν 20 έως 100 φορές υψηλότερη συνολική πυκνότητα κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων.

Το τρίτιο είναι ένα καθαρό (3-εκπομπών) με μέγιστη ενέργεια σωματιδίων 18 61 0 02 keV και χρόνο ημιζωής 12 43 χρόνια.

Το μαγνητικό πεδίο σε ένα κυκλοτρόνιο φθάνει τις δεκάδες χιλιάδες έρστεντ, η ακτίνα του θαλάμου είναι αρκετά μέτρα, η μέγιστη ενέργεια σωματιδίων είναι έως και 107 eV. Αυτή η ενέργεια είναι σχετικά μικρή, αν και στα πρώτα πειράματα για την πυρηνική σχάση θεωρήθηκε επαρκής. Δεν μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ενέργεια σε ένα κυκλότρον: όπως προκύπτει από τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα των σωματιδίων αυξάνεται με την ταχύτητα, γι' αυτό και η συχνότητα κυκλοφορίας τους μειώνεται κατά την κίνηση.

Η ειδικότητα της επίδρασης της ακτινοβολίας τριτίου καθορίζεται από το εύρος των 3-σωματιδίων του. Η μέγιστη ενέργεια των σωματιδίων στο φάσμα p του τριτίου αντιστοιχεί σε μια διαδρομή στην ουσία περίπου 6 μm, με πυκνότητα της ουσίας 1 g/cm3, και το 90% της ενέργειας ακτινοβολίας καταναλώνεται σε απόσταση περίπου 0 5 μm από την πηγή. Η τελευταία περίσταση αποδεικνύεται εξαιρετικά σημαντική, δεδομένου ότι η απορρόφηση της ακτινοβολίας τριτίου συμβαίνει σε απόσταση της τάξης του μεγέθους ενός ζωντανού κυττάρου, σε αντίθεση με τέτοιους ρ-εκπομπούς όπως ο φώσφορος-32 ή το ύττριο-90, η ακτινοβολία του που απορροφάται από το ακτινοβολημένο όργανο. Από αυτή την άποψη, είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη ο ενδοκυτταρικός εντοπισμός του τριτίου, επειδή η ραδιοευαισθησία των υποκυτταρικών μονάδων ποικίλλει πολύ.

Ο Coleman [31, 851] χρησιμοποίησε έναν ενιαίο συντονιστή στον οποίο, με τη βοήθεια δύο μαγνητρονίων, ταλαντώσεις του τύπου TM010 με συχνότητα 2–8 GHz διεγείρονται μέσω ανεξάρτητων οπών σύζευξης. Με συνολική ισχύ εισόδου 800 kW, η μέγιστη ενέργεια σωματιδίων είναι 1 5 MeV. Ένας συντονιστής προ-ομαδοποίησης χρησιμοποιείται για την έγχυση ηλεκτρονίων στην επιταχυνόμενη κοιλότητα με την απαιτούμενη ταχύτητα και την επιθυμητή μετατόπιση φάσης, η οποία θα παρέχει υψηλή ενέργεια εξόδου. Τα ηλεκτρόδια της σειράς συνδέονται με έναν ωμικό διαιρέτη, έτσι ώστε τα δυναμικά τους να κατανέμονται σύμφωνα με έναν παραβολικό νόμο.

Από την άποψη της παραγωγής νέων σωματιδίων, ιδιαίτερα αποτελεσματικοί είναι οι επιταχυντές με συγκρουόμενες δέσμες (VI.5.4.3, VI.5.3.4), στους οποίους συγκρούονται σωματίδια με μηδενική συνολική ορμή. Χάρη σε αυτό, όλη η κινητική τους ενέργεια μπορεί να μετατραπεί στην ενέργεια ηρεμίας των αναδυόμενων σωματιδίων, η συνολική ορμή των οποίων είναι επίσης μηδενική. Αυτό είναι ήδη πολύ κοντά στη μέγιστη ενέργεια των σωματιδίων της κοσμικής ακτινοβολίας.

Σωματίδια βήτα που εκπέμπονται από ατομικούς πυρήνεςμε όλες τις πιθανές αρχικές ενέργειες (από μηδέν έως κάποιο μέγιστο), έχουν διαφορετικές περιοχές στην ύλη. Η διεισδυτική ικανότητα των σωματιδίων βήτα διαφόρων ραδιενεργών ισοτόπων χαρακτηρίζεται συνήθως από το ελάχιστο πάχος ενός στρώματος μιας ουσίας που απορροφά πλήρως όλα τα σωματίδια βήτα. Για παράδειγμα, ένα στρώμα αλουμινίου πάχους 3-5 mm προστατεύει πλήρως από μια ροή σωματιδίων βήτα με μέγιστη ενέργεια σωματιδίων 2 MeV. Τα σωματίδια άλφα, που έχουν σημαντικά μεγαλύτερη μάζα από τα σωματίδια βήτα, παρουσιάζουν πολύ μικρές αποκλίσεις από την αρχική κατεύθυνση κίνησης όταν συγκρούονται με ηλεκτρόνια ατομικών φλοιών και κινούνται σχεδόν γραμμικά.

ΣΕ τα τελευταία χρόνιαμια σειρά από σημαντικές ανακαλύψεις στην πυρηνική φυσική έγιναν χάρη σε ευρεία εφαρμογήμέθοδος πλακών παχιάς στρώσης (σελ. Η πρακτική έχει δείξει ότι αυτή η μέθοδος συνδυάζει εξαιρετική απλότητα και μεγάλη ακρίβεια της έρευνας. Φωτογραφικές πλάκες που υψώνονται σε ηχητικά μπαλόνια και ρουκέτες στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας καθιστούν δυνατή τη μελέτη των πυρηνικών μετασχηματισμών που προκαλούνται από την κοσμική ακτίνα σωματίδια με ενέργειες χιλιάδες φορές υψηλότερες από τη μέγιστη ενέργεια των σωματιδίων που επιταχύνονται σε εργαστηριακές συνθήκες. Ταυτόχρονα, οι φωτογραφικές πλάκες είναι επίσης κατάλληλες για την καταγραφή σωματιδίων χαμηλής ενέργειας.

16 Ιουλίου 2015 στις 00:57

Ρωτήστε τον Ethan #14: Τα σωματίδια με την υψηλότερη ενέργεια του Σύμπαντος

• Λαϊκή Επιστήμη,
• Η φυσικη

• Μετάφραση

Τα αποτελέσματα των παρατηρήσεών μου εξηγούνται καλύτερα από την υπόθεση ότι η ακτινοβολία τεράστιας διεισδυτικής ενέργειας εισέρχεται στην ατμόσφαιρά μας από ψηλά.
- Βίκτορ Χες

Ίσως πιστεύετε ότι οι πιο ισχυροί επιταχυντές σωματιδίων - SLAC, Fermilab, LHC - είναι οι πηγές των υψηλότερων ενεργειών που θα μπορέσουμε να δούμε. Αλλά όλα όσα προσπαθούμε να κάνουμε στη γη δεν μπορούν να συγκριθούν με αυτά φυσικές διαδικασίεςΣύμπαν.

Ένας αναγνώστης ρωτά:

Από τότε που άρχισα να διαβάζω κόμικς Fantastic Four ως παιδί, ήθελα να μάθω περισσότερα για τις κοσμικές ακτίνες. Μπορείς να με βοηθήσεις με αυτό;

Ας ρίξουμε μια ματιά.

Ακόμη και πριν ο Γιούρι Γκαγκάριν προλάβει να φύγει από την επιφάνεια του πλανήτη μας, ήταν ευρέως γνωστό ότι εκεί, πέρα ​​από την προστασία της ατμόσφαιρας, το διάστημα είναι γεμάτο με ακτινοβολία υψηλής ενέργειας. Πώς το γνωρίζαμε αυτό;

Οι πρώτες υποψίες προέκυψαν κατά τη διάρκεια απλών πειραμάτων με ηλεκτροσκόπιο.

Εάν δώσετε ηλεκτρικό φορτίο σε μια συσκευή στην οποία δύο μεταλλικά φύλλα είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, θα λάβουν το ίδιο φορτίο και θα απωθούν το ένα το άλλο. Θα περιμένατε ότι με την πάροδο του χρόνου το φορτίο θα διαφεύγει στον περιβάλλοντα αέρα - επομένως μπορείτε να εξετάσετε το ενδεχόμενο να απομονώσετε τη συσκευή, για παράδειγμα δημιουργώντας ένα κενό γύρω της.

Αλλά και σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτροσκόπιο αποφορτίζεται. Ακόμα κι αν το μονώσετε με μόλυβδο, θα εξακολουθήσει να αποφορτίζεται. Όπως ανακάλυψαν οι πειραματιστές στις αρχές του 20ου αιώνα, όσο ψηλότερα σηκώνετε ένα ηλεκτροσκόπιο, τόσο πιο γρήγορα θα εκφορτίζεται. Αρκετοί επιστήμονες έχουν υποβάλει μια υπόθεση - η εκκένωση συμβαίνει λόγω ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Έχει υψηλή διεισδυτική ενέργεια και προέλευση πέρα ​​από τη Γη.

Στην επιστήμη, συνηθίζεται να δοκιμάζουμε υποθέσεις. Το 1912, ο Victor Hess πραγματοποίησε ένα πείραμα με μπαλόνι στο οποίο προσπάθησε να βρει αυτά τα υψηλής ενέργειας κοσμικά σωματίδια. Και τα βρήκε σε αφθονία, γινόμενος ο πατέρας των κοσμικών ακτίνων.

Οι πρώιμοι ανιχνευτές ήταν εκπληκτικά απλοί. Δημιουργείτε ένα ειδικό γαλάκτωμα που «αισθάνεται» τη διέλευση φορτισμένων σωματιδίων μέσα από αυτό και το τοποθετείτε όλο σε ένα μαγνητικό πεδίο. Όταν τα σωματίδια περνούν από αυτό, μπορείτε να μάθετε δύο σημαντικά πράγματα:

• αναλογία φορτίου προς μάζα ενός σωματιδίου
• και την ταχύτητά του

που εξαρτώνται από το πώς κάμπτεται η διαδρομή του σωματιδίου. Αυτό μπορεί να υπολογιστεί γνωρίζοντας την ισχύ του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου.

Στη δεκαετία του 1930, πολλά πειράματα, τόσο με πρώιμους επίγειους επιταχυντές όσο και με ανιχνευτές κοσμικών ακτίνων, παρήγαγαν πολλά πολύ ενδιαφέρουσες πληροφορίες. Για παράδειγμα, τα περισσότερα από τα σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας (90%) είχαν ποικίλα ενεργειακά επίπεδα - από λίγα μεγαηλεκτροβολτ, έως όσο υψηλές ενέργειες θα μπορούσατε να μετρήσετε! Τα περισσότερα από τα υπόλοιπα ήταν σωματίδια άλφα, ή πυρήνες ηλίου με δύο πρωτόνια και νετρόνια, με παρόμοια επίπεδα ενέργειας.

Όταν αυτές οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν την κορυφή της ατμόσφαιρας της Γης, αλληλεπιδρούν μαζί της και δημιουργούν διαδοχικές αντιδράσεις που δημιουργούν μια βροχή σωματιδίων υψηλής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων δύο νέων: το ποζιτρόνιο, η ύπαρξη του οποίου υποτέθηκε το 1930 από τον Ντιράκ. Αυτό είναι το αντίστοιχο του ηλεκτρονίου από τον κόσμο της αντιύλης, με την ίδια μάζα, αλλά με θετικό φορτίο, και το μιόνιο είναι ένα ασταθές σωματίδιο με το ίδιο φορτίο με το ηλεκτρόνιο, αλλά 206 φορές βαρύτερο. Το ποζιτρόνιο ανακαλύφθηκε από τον Carl Andersen το 1932 και το μιόνιο από τον ίδιο και τον μαθητή του Seth Neddermeier το 1936, αλλά το πρώτο ποζιτρόνιο ανακαλύφθηκε από τον Paul Kuenze αρκετά χρόνια νωρίτερα, το οποίο κατά κάποιον τρόπο έχει ξεχάσει η ιστορία.

Ένα εκπληκτικό πράγμα: αν απλώσετε το χέρι σας παράλληλα με το έδαφος, περίπου 1 μιονίου θα περνά μέσα από αυτό κάθε δευτερόλεπτο.

Κάθε μιόνιο που περνάει από το χέρι σας γεννιέται σε μια βροχή κοσμικών ακτίνων και καθεμία από αυτές επιβεβαιώνει τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας! Βλέπετε, αυτά τα μιόνια δημιουργούνται σε υψόμετρο περίπου 100 km, αλλά η μέση διάρκεια ζωής ενός μιονίου είναι περίπου 2,2 μικροδευτερόλεπτα. Ακόμα κι αν κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός, θα μπορούσαν να ταξιδέψουν όχι περισσότερο από 660 μέτρα πριν διαλυθούν. Αλλά λόγω της χρονικής παραμόρφωσης, επειδή ο χρόνος ενός σωματιδίου που κινείται κοντά στην ταχύτητα του φωτός επιβραδύνεται από την οπτική γωνία ενός ακίνητου παρατηρητή, αυτά τα ταχέως κινούμενα μιόνια μπορούν να ταξιδέψουν μέχρι την επιφάνεια της γης προτού διασπαστούν.

Αν προχωρήσουμε γρήγορα στο σήμερα, έχουμε μετρήσει με ακρίβεια τόσο τον αριθμό όσο και το ενεργειακό φάσμα αυτών των κοσμικών σωματιδίων.

Τα σωματίδια ενέργειας γύρω στα 100 GeV είναι τα πιο συνηθισμένα και περίπου 1 τέτοιο σωματίδιο διέρχεται τετραγωνικό μέτροεπιφάνεια της Γης κάθε δευτερόλεπτο. Και, παρόλο που υπάρχουν σωματίδια υψηλότερης ενέργειας, είναι πολύ λιγότερο κοινά - όσο πιο σπάνια, τόσο περισσότερη ενέργεια παίρνουμε. Για παράδειγμα, αν πάρουμε ενέργεια 10 16 eV, τότε τέτοια σωματίδια θα περνούν από ένα τετραγωνικό μέτρο μόνο μία φορά το χρόνο. Και τα σωματίδια υψηλότερης ενέργειας με ενέργεια 5 × 10 10 GeV (ή 5 × 10 19 eV) θα περνούν από έναν ανιχνευτή με πλευρά 10 km μία φορά το χρόνο.

Αυτή η ιδέα φαίνεται μάλλον περίεργη - και όμως, υπάρχει λόγος για την εφαρμογή της: πρέπει να υπάρχει ένα όριο στην ενέργεια των κοσμικών ακτίνων και ένα όριο στην ταχύτητα των πρωτονίων στο Σύμπαν! Μπορεί να μην υπάρχει όριο στην ενέργεια που μπορούμε να μεταδώσουμε σε ένα πρωτόνιο: τα φορτισμένα σωματίδια μπορούν να επιταχυνθούν χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία και οι μεγαλύτερες και πιο ενεργές μαύρες τρύπες στο Σύμπαν μπορούν να επιταχύνουν τα πρωτόνια σε ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από ό,τι έχουμε παρατηρήσει.

Αλλά πρέπει να ταξιδέψουν σε όλο το Σύμπαν για να φτάσουν σε εμάς, και το Σύμπαν είναι γεμάτο με πολλή ψυχρή, χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία - κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας δημιουργούνται μόνο στις περιοχές όπου βρίσκονται οι πιο μαζικές και ενεργές μαύρες τρύπες στο Σύμπαν και όλες βρίσκονται πολύ μακριά από τον γαλαξία μας. Και αν εμφανιστεί ένα σωματίδιο με ενέργεια που υπερβαίνει τα 5 × 10 10 GeV, θα είναι σε θέση να ταξιδέψει όχι περισσότερο από αρκετά εκατομμύρια έτη φωτός μέχρι να παραμείνει ένα από τα φωτόνια από μεγάλη έκρηξη, δεν αλληλεπιδρά με αυτό, λαμβάνοντας μια παιώνια. Η περίσσεια ενέργειας θα εκπέμπεται και η υπόλοιπη ενέργεια θα πέσει στο όριο της κοσμικής ενέργειας, που είναι γνωστό ως όριο Greisen-Zatsepin-Kuzmin.

Έτσι κάναμε το μόνο πράγμα που φαίνεται λογικό στους φυσικούς: κατασκευάσαμε έναν εξωπραγματικά τεράστιο ανιχνευτή και αρχίσαμε να ψάχνουμε για σωματίδια!

Παρατηρητήριο που πήρε το όνομά του Ο Pierre Auger κάνει ακριβώς αυτό: επιβεβαιώνοντας ότι υπάρχουν κοσμικές ακτίνες που φτάνουν, αλλά δεν ξεπερνούν, αυτό το ενεργειακό όριο, 10 εκατομμύρια φορές τις ενέργειες που επιτυγχάνονται στον LHC! Αυτό σημαίνει ότι τα ταχύτερα πρωτόνια που έχουμε συναντήσει ποτέ ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός (η οποία είναι ακριβώς 299.792.458 m/s), αλλά λίγο πιο αργά. Αλλά πόσο πιο αργά;

Τα ταχύτερα πρωτόνια, ακριβώς στο όριο, κινούνται με ταχύτητα 299.792.457,999999999999918 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Εάν εκτοξεύσετε ένα τέτοιο πρωτόνιο και φωτόνιο πριν

Boris Arkadyevich Khrenov,
Διδάκτωρ Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Ερευνητικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής που πήρε το όνομά του. D. V. Skobeltsyn Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. M. V. Lomonosova
«Επιστήμη και Ζωή» Νο. 10, 2008

Έχουν περάσει σχεδόν εκατό χρόνια από τότε που ανακαλύφθηκαν οι κοσμικές ακτίνες - ρεύματα φορτισμένων σωματιδίων που προέρχονται από τα βάθη του Σύμπαντος. Έκτοτε, έχουν γίνει πολλές ανακαλύψεις που σχετίζονται με την κοσμική ακτινοβολία, αλλά πολλά μυστήρια παραμένουν ακόμη. Ένα από αυτά είναι ίσως το πιο ενδιαφέρον: από πού προέρχονται σωματίδια με ενέργεια μεγαλύτερη από 10 20 eV, δηλαδή σχεδόν ένα δισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια ηλεκτρον βολτ, ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από αυτό που θα ληφθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή - τον Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων; Ποιες δυνάμεις και πεδία επιταχύνουν τα σωματίδια σε τέτοιες τερατώδεις ενέργειες;

Οι κοσμικές ακτίνες ανακαλύφθηκαν το 1912 από τον Αυστριακό φυσικό Victor Hess. Ήταν υπάλληλος του Ινστιτούτου Ραδίου στη Βιέννη και έκανε έρευνα για ιονισμένα αέρια. Μέχρι τότε, γνώριζαν ήδη ότι όλα τα αέρια (συμπεριλαμβανομένης της ατμόσφαιρας) είναι πάντα ελαφρώς ιονισμένα, γεγονός που υποδηλώνει την παρουσία μιας ραδιενεργής ουσίας (όπως το ράδιο) είτε στο αέριο είτε κοντά σε μια συσκευή μέτρησης ιονισμού, πιθανότατα στον φλοιό της γης. Πειράματα με την ανύψωση του ανιχνευτή ιονισμού σε αερόστατοσχεδιάστηκαν για να ελέγξουν αυτήν την υπόθεση, καθώς ο ιονισμός του αερίου θα πρέπει να μειώνεται με την απόσταση από την επιφάνεια της γης. Η απάντηση ήταν αντίθετη: ο Χες ανακάλυψε κάποια ακτινοβολία, η ένταση της οποίας αυξανόταν με το υψόμετρο. Αυτό υποδηλώνει ότι προερχόταν από το διάστημα, αλλά αποδείχθηκε οριστικά εξωγήινης προέλευσηςακτίνες πέτυχαν μόνο μετά από πολυάριθμα πειράματα (το βραβείο Νόμπελ στον W. Hess απονεμήθηκε μόλις το 1936). Ας θυμηθούμε ότι ο όρος «ακτινοβολία» δεν σημαίνει ότι αυτές οι ακτίνες είναι καθαρά ηλεκτρομαγνητικής φύσης (όπως το ηλιακό φως, τα ραδιοκύματα ή οι ακτίνες Χ). χρησιμοποιήθηκε για την ανακάλυψη ενός φαινομένου του οποίου η φύση δεν ήταν ακόμη γνωστή. Και παρόλο που σύντομα έγινε σαφές ότι το κύριο συστατικό των κοσμικών ακτίνων είναι τα επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια, ο όρος διατηρήθηκε. Η μελέτη του νέου φαινομένου άρχισε γρήγορα να παράγει αποτελέσματα που συνήθως θεωρούνται «η αιχμή της επιστήμης».

Η ανακάλυψη κοσμικών σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας αμέσως (πολύ πριν δημιουργηθεί ο επιταχυντής πρωτονίων) έθεσε το ερώτημα: ποιος είναι ο μηχανισμός για την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων σε αστροφυσικά αντικείμενα; Σήμερα γνωρίζουμε ότι η απάντηση αποδείχθηκε μη τετριμμένη: ένας φυσικός, «κοσμικός» επιταχυντής είναι ριζικά διαφορετικός από τους τεχνητούς επιταχυντές.

Σύντομα έγινε σαφές ότι τα κοσμικά πρωτόνια, που πετούν μέσα από την ύλη, αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες των ατόμων της, γεννώντας προηγουμένως άγνωστα ασταθή στοιχειώδη σωματίδια (παρατηρήθηκαν κυρίως στην ατμόσφαιρα της Γης). Η μελέτη του μηχανισμού γέννησής τους άνοιξε μια γόνιμη διαδρομή για την κατασκευή μιας ταξινόμησης στοιχειωδών σωματιδίων. Στο εργαστήριο, έμαθαν να επιταχύνουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια και να παράγουν τεράστιες ροές από αυτά, ασύγκριτα πυκνότερες από τις κοσμικές ακτίνες. Τελικά, ήταν πειράματα για την αλληλεπίδραση σωματιδίων που λάμβαναν ενέργεια σε επιταχυντές που οδήγησαν στη δημιουργία μοντέρνα ζωγραφικήμικρόκοσμος.

Το 1938, ο Γάλλος φυσικός Pierre Auger ανακάλυψε ένα αξιοσημείωτο φαινόμενο - βροχές δευτερογενών κοσμικών σωματιδίων που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης πρωτογενών πρωτονίων και πυρήνων εξαιρετικά υψηλών ενεργειών με τους πυρήνες των ατμοσφαιρικών ατόμων. Αποδείχθηκε ότι στο φάσμα των κοσμικών ακτίνων υπάρχουν σωματίδια με ενέργεια της τάξης των 10 15 – 10 18 eV - εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια των σωματιδίων που επιταχύνονται στο εργαστήριο. Ο ακαδημαϊκός Ντμίτρι Βλαντιμίροβιτς Σκόμπελτσιν έδωσε ιδιαίτερο νόημαμελετώντας τέτοια σωματίδια και αμέσως μετά τον πόλεμο, το 1947, μαζί με τους στενότερους συναδέλφους του G. T. Zatsepin και N. A. Dobrotin, οργάνωσε ολοκληρωμένες μελέτες καταρράξεων δευτερογενών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, που ονομάζονται εκτεταμένα ντους αέρα (EAS). Η ιστορία των πρώτων μελετών των κοσμικών ακτίνων βρίσκεται στα βιβλία των N. Dobrotin και V. Rossi. Με τον καιρό η σχολή του Δ.Β. Ο Skobeltsyna εξελίχθηκε σε έναν από τους ισχυρότερους στον κόσμο και πολλά χρόνιακαθόρισε τις κύριες κατευθύνσεις στη μελέτη των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Οι μέθοδοι της κατέστησαν δυνατή την επέκταση του εύρους των υπό μελέτη ενεργειών από 10 9 – 10 13 eV, που καταγράφηκαν σε μπαλόνιακαι δορυφόρους, έως 10 13 – 10 20 eV. Δύο πτυχές έκαναν αυτές τις μελέτες ιδιαίτερα ελκυστικές.

Πρώτον, κατέστη δυνατή η χρήση πρωτονίων υψηλής ενέργειας που δημιουργήθηκαν από την ίδια τη φύση για τη μελέτη της αλληλεπίδρασής τους με τους πυρήνες των ατμοσφαιρικών ατόμων και την αποκρυπτογράφηση της λεπτότερης δομής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Δεύτερον, κατέστη δυνατό να βρεθούν αντικείμενα στο διάστημα ικανά να επιταχύνουν σωματίδια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.

Η πρώτη πτυχή αποδείχθηκε ότι δεν ήταν τόσο γόνιμη όσο ελπίζαμε: η μελέτη της λεπτής δομής των στοιχειωδών σωματιδίων απαιτούσε πολύ περισσότερα δεδομένα για την αλληλεπίδραση των πρωτονίων από ό,τι μπορούν να παρέχουν οι κοσμικές ακτίνες. Ταυτόχρονα, σημαντική συνεισφορά στην κατανόηση του μικροκόσμου είχε η μελέτη της εξάρτησης των περισσότερων γενικά χαρακτηριστικάαλληλεπιδράσεις πρωτονίων με την ενέργειά τους. Ήταν κατά τη διάρκεια της μελέτης των EASs που ανακαλύφθηκε ένα χαρακτηριστικό στην εξάρτηση του αριθμού των δευτερογενών σωματιδίων και της κατανομής της ενέργειας από την ενέργεια του πρωτεύοντος σωματιδίου, που σχετίζεται με τη δομή κουάρκ-γλουονίου των στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτά τα δεδομένα επιβεβαιώθηκαν αργότερα σε πειράματα σε επιταχυντές.

Σήμερα, έχουν κατασκευαστεί αξιόπιστα μοντέλα της αλληλεπίδρασης των κοσμικών ακτίνων με τους πυρήνες των ατμοσφαιρικών ατόμων, τα οποία κατέστησαν δυνατή τη μελέτη του ενεργειακού φάσματος και της σύνθεσης των πρωτογενών σωματιδίων τους με τις υψηλότερες ενέργειες. Έγινε σαφές ότι οι κοσμικές ακτίνες δεν παίζουν λιγότερο ρόλο στη δυναμική της ανάπτυξης του Γαλαξία από τα πεδία και τις ροές του διαστρικού αερίου: η ειδική ενέργεια των κοσμικών ακτίνων, του αερίου και του μαγνητικού πεδίου είναι περίπου ίση με 1 eV ανά cm 3. Με μια τέτοια ισορροπία ενέργειας στο διαστρικό μέσο, ​​είναι φυσικό να υποθέσουμε ότι η επιτάχυνση των σωματιδίων της κοσμικής ακτίνας πιθανότατα συμβαίνει στα ίδια αντικείμενα που είναι υπεύθυνα για τη θέρμανση και την απελευθέρωση αερίου, για παράδειγμα, σε νέους και σουπερνόβα κατά την έκρηξή τους.

Ο πρώτος μηχανισμός επιτάχυνσης της κοσμικής ακτίνας προτάθηκε από τον Enrico Fermi για πρωτόνια που συγκρούονται χαοτικά με μαγνητισμένα νέφη διαστρικού πλάσματος, αλλά δεν μπορούσε να εξηγήσει όλα τα πειραματικά δεδομένα. Το 1977, ο ακαδημαϊκός Ερμογένης Φιλίπποβιτς Κρίμσκι έδειξε ότι αυτός ο μηχανισμός θα πρέπει να επιταχύνει τα σωματίδια στα υπολείμματα σουπερνόβα πολύ πιο δυνατά στα μέτωπα των κυμάτων κρουστικού κύματος, οι ταχύτητες των οποίων είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερες από τις ταχύτητες των νεφών. Σήμερα έχει αποδειχθεί αξιόπιστα ότι ο μηχανισμός της επιτάχυνσης των κοσμικών πρωτονίων και πυρήνων από ένα ωστικό κύμα στα κελύφη των Supernovae είναι πιο αποτελεσματικός. Αλλά είναι απίθανο να είναι σε θέση να το αναπαράγει σε εργαστηριακές συνθήκες: η επιτάχυνση συμβαίνει σχετικά αργά και απαιτεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας για να συγκρατήσει τα επιταχυνόμενα σωματίδια. Στα κελύφη σουπερνόβα, αυτές οι συνθήκες υπάρχουν λόγω της ίδιας της φύσης της έκρηξης. Είναι αξιοσημείωτο ότι η επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων συμβαίνει σε ένα μοναδικό αστροφυσικό αντικείμενο, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση βαρέων πυρήνων (βαρύτερων από το ήλιο) που υπάρχουν στην πραγματικότητα στις κοσμικές ακτίνες.

Στον Γαλαξία μας, υπάρχουν αρκετοί γνωστοί σουπερνόβα ηλικίας μικρότερης των χιλίων ετών που έχουν παρατηρηθεί με γυμνό μάτι. Τα πιο διάσημα είναι το Νεφέλωμα του Καβουριού στον αστερισμό του Ταύρου ("The Crab" είναι το απομεινάρι της έκρηξης του Supernova το 1054, σημειώνεται στα ανατολικά χρονικά), η Cassiopeia-A (παρατηρήθηκε το 1572 από τον αστρονόμο Tycho Brahe) και το Kepler Supernova στον αστερισμό Οφιούχου (1680). Οι διάμετροι των κελυφών τους σήμερα είναι 5–10 έτη φωτός (1 έτος φωτός = 10 16 m), δηλαδή διαστέλλονται με ταχύτητα της τάξης του 0,01 της ταχύτητας του φωτός και βρίσκονται σε αποστάσεις περίπου δέκα χιλιάδων φωτός χρόνια από τη Γη. Τα κελύφη των υπερκαινοφανών («νεφελώματα») παρατηρήθηκαν στην περιοχή οπτικών, ραδιοφώνων, ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα από τα διαστημικά παρατηρητήρια Chandra, Hubble και Spitzer. Έδειξαν αξιόπιστα ότι η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων, συνοδευόμενη από ακτινοβολία ακτίνων Χ, συμβαίνει στην πραγματικότητα στα κελύφη.

Περίπου 60 υπολείμματα σουπερνόβα μικρότερα των 2000 ετών θα μπορούσαν να γεμίσουν τον διαστρικό χώρο με κοσμικές ακτίνες με μετρημένη ειδική ενέργεια (~1 eV ανά cm 3), ενώ είναι γνωστά λιγότερα από δέκα από αυτά. Αυτή η έλλειψη εξηγείται από το γεγονός ότι στο επίπεδο του Γαλαξία, όπου είναι συγκεντρωμένα αστέρια και σουπερνόβα, υπάρχει πολλή σκόνη, η οποία δεν μεταδίδει φως στον παρατηρητή στη Γη. Παρατηρήσεις σε ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα, για τις οποίες το στρώμα σκόνης είναι διαφανές, κατέστησαν δυνατή την επέκταση της λίστας των παρατηρούμενων «νεαρών» κελυφών σουπερνόβα. Το πιο πρόσφατο από αυτά τα κοχύλια που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα ήταν το Supernova G1.9+0.3, που παρατηρήθηκε με το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ Chandra που ξεκίνησε τον Ιανουάριο του 2008. Οι εκτιμήσεις του μεγέθους και του ρυθμού διαστολής του κελύφους του δείχνουν ότι φούντωσε πριν από περίπου 140 χρόνια, αλλά δεν ήταν ορατός στο οπτικό εύρος λόγω της πλήρους απορρόφησης του φωτός του από το στρώμα σκόνης του Γαλαξία.

Στα δεδομένα σχετικά με τα σουπερνόβα που εκρήγνυνται στον γαλαξία μας Γαλαξίας, προστίθενται σημαντικά πλουσιότερα στατιστικά στοιχεία για τους υπερκαινοφανείς σε άλλους γαλαξίες. Άμεση επιβεβαίωση της παρουσίας επιταχυνόμενων πρωτονίων και πυρήνων είναι η ακτινοβολία γάμμα με φωτόνια υψηλής ενέργειας που προκύπτουν από τη διάσπαση ουδέτερων ιόντων - προϊόντα της αλληλεπίδρασης πρωτονίων (και πυρήνων) με την πηγή ύλης. Τέτοια φωτόνια υψηλής ενέργειας παρατηρούνται χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια που ανιχνεύουν τη λάμψη Vavilov-Cherenkov που εκπέμπεται από δευτερεύοντα σωματίδια EAS. Το πιο προηγμένο όργανο αυτού του τύπου είναι μια διάταξη έξι τηλεσκοπίων που δημιουργήθηκε σε συνεργασία με το HESS στη Ναμίμπια. Οι ακτίνες γάμμα του Καβουριού ήταν οι πρώτες που μετρήθηκαν και η έντασή του έγινε το μέτρο της έντασης για άλλες πηγές.

Το ληφθέν αποτέλεσμα όχι μόνο επιβεβαιώνει την παρουσία ενός μηχανισμού για την επιτάχυνση πρωτονίων και πυρήνων σε έναν σουπερνόβα, αλλά μας επιτρέπει επίσης να εκτιμήσουμε το φάσμα των επιταχυνόμενων σωματιδίων: τα φάσματα των «δευτερογενών» ακτίνων γάμμα και των «πρωτογενών» πρωτονίων και πυρήνων είναι πολύ κοντά. Το μαγνητικό πεδίο στον Καβούρι και το μέγεθός του επιτρέπουν την επιτάχυνση των πρωτονίων σε ενέργειες της τάξης των 10 15 eV. Τα φάσματα των σωματιδίων της κοσμικής ακτίνας στην πηγή και στο διαστρικό μέσο είναι κάπως διαφορετικά, καθώς η πιθανότητα σωματιδίων να φύγουν από την πηγή και η διάρκεια ζωής των σωματιδίων στον Γαλαξία εξαρτώνται από την ενέργεια και το φορτίο του σωματιδίου. Η σύγκριση του ενεργειακού φάσματος και της σύνθεσης των κοσμικών ακτίνων που μετρήθηκαν κοντά στη Γη με το φάσμα και τη σύνθεση στην πηγή κατέστησε δυνατό να κατανοήσουμε πόσο καιρό τα σωματίδια ταξιδεύουν μεταξύ των άστρων. Υπήρχαν σημαντικά περισσότεροι πυρήνες λιθίου, βηρυλλίου και βορίου στις κοσμικές ακτίνες κοντά στη Γη παρά στην πηγή - ο πρόσθετος αριθμός τους εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης βαρύτερων πυρήνων με διαστρικό αέριο. Μετρώντας αυτή τη διαφορά, υπολογίσαμε το ποσό Χτην ουσία μέσα από την οποία περνούσαν οι κοσμικές ακτίνες ενώ περιπλανιόταν στο διαστρικό μέσο. Στην πυρηνική φυσική, η ποσότητα της ύλης που συναντά ένα σωματίδιο στην πορεία του μετριέται σε g/cm2. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για να υπολογιστεί η μείωση της ροής των σωματιδίων σε συγκρούσεις με πυρήνες ύλης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τον αριθμό των συγκρούσεων ενός σωματιδίου με πυρήνες που έχουν διαφορετικές περιοχές (τομές) εγκάρσια προς την κατεύθυνση του σωματιδίου. Εκφράζοντας την ποσότητα της ύλης σε αυτές τις μονάδες, προκύπτει μια ενιαία κλίμακα μέτρησης για όλους τους πυρήνες.

Πειραματικά βρέθηκε αξία Χ~ 5–10 g/cm2 σας επιτρέπει να υπολογίσετε τη διάρκεια ζωής tκοσμικές ακτίνες στο διαστρικό μέσο: t ≈ Χ/ρ ντο, Οπου ντο- ταχύτητα σωματιδίων περίπου ίση με την ταχύτητα του φωτός, ρ ~10 –24 g/cm 3 - μέση πυκνότητα του διαστρικού μέσου. Ως εκ τούτου, η διάρκεια ζωής των κοσμικών ακτίνων είναι περίπου 10 8 χρόνια. Αυτός ο χρόνος είναι πολύ μεγαλύτερος από τον χρόνο πτήσης ενός σωματιδίου που κινείται με ταχύτητα Μεσε ευθεία γραμμή από την πηγή προς τη Γη (3·10 4 χρόνια για τις πιο μακρινές πηγές στην πλευρά του Γαλαξία απέναντί ​​μας). Αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια δεν κινούνται σε ευθεία γραμμή, αλλά βιώνουν τη σκέδαση. Τα χαοτικά μαγνητικά πεδία των γαλαξιών με επαγωγή B ~ 10 –6 gauss (10 –10 tesla) τους μετακινούν γύρω από έναν κύκλο με ακτίνα (γυροακτίνα) R = μι/3 × 10 4 B, όπου Rσε m, μι- σωματιδιακή ενέργεια σε eV, V - επαγωγή μαγνητικού πεδίου στο gauss. Σε μέτριες ενέργειες σωματιδίων μι

Περίπου σε ευθεία γραμμή, μόνο σωματίδια με ενέργεια θα προέρχονται από την πηγή μι> 10 19 eV. Επομένως, η κατεύθυνση των σωματιδίων με ενέργειες μικρότερες από 10 19 eV που δημιουργούν EAS δεν υποδηλώνει την πηγή τους. Σε αυτήν την ενεργειακή περιοχή, το μόνο που μένει είναι να παρατηρήσουμε τη δευτερογενή ακτινοβολία που παράγεται στις ίδιες τις πηγές από τα πρωτόνια και τους πυρήνες των κοσμικών ακτίνων. Στην παρατηρήσιμη ενεργειακή περιοχή της ακτινοβολίας γ ( μι

Η ιδέα των κοσμικών ακτίνων ως «τοπικού» γαλαξιακού φαινομένου αποδείχθηκε ότι ισχύει μόνο για σωματίδια μέτριας ενέργειας μι

Το 1958, ο Georgiy Borisovich Christiansen και ο German Viktorovich Kulikov ανακάλυψαν μια απότομη αλλαγή στην εμφάνιση του ενεργειακού φάσματος των κοσμικών ακτίνων σε ενέργεια της τάξης των 3·10 15 eV. Σε ενέργειες κάτω από αυτήν την τιμή, τα πειραματικά δεδομένα για το φάσμα των σωματιδίων συνήθως παρουσιάζονταν σε μορφή «νόμου εξουσίας», έτσι ώστε ο αριθμός των σωματιδίων Νμε δεδομένη ενέργεια το Ε θεωρήθηκε αντιστρόφως ανάλογο της ενέργειας του σωματιδίου προς την ισχύ του γ: Ν(μι) = ένα/μιγ (γ είναι ο δείκτης διαφορικού φάσματος). Μέχρι μια ενέργεια 3·10 15 eV, ο δείκτης γ = 2,7, αλλά κατά τη μετάβαση σε υψηλότερες ενέργειες το ενεργειακό φάσμα βιώνει ένα «σπάσιμο»: για τις ενέργειες μι> 3·10 15 eV γ γίνεται 3,15. Είναι φυσικό να συσχετίσουμε αυτή την αλλαγή στο φάσμα με την προσέγγιση της ενέργειας των επιταχυνόμενων σωματιδίων στη μέγιστη δυνατή τιμή που υπολογίζεται για τον μηχανισμό επιτάχυνσης στους Supernovae. Αυτή η εξήγηση της διάσπασης του φάσματος υποστηρίζεται επίσης από την πυρηνική σύνθεση των πρωτογενών σωματιδίων στην περιοχή ενέργειας 10 15 – 10 17 eV. Οι πιο αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με αυτό παρέχονται από πολύπλοκες εγκαταστάσεις EAS - "MGU", "Tunka", "Tibet", "Cascade". Με τη βοήθειά τους, λαμβάνει κανείς όχι μόνο πληροφορίες για την ενέργεια των πρωτογενών πυρήνων, αλλά και παραμέτρους ανάλογα με τους ατομικούς τους αριθμούς - το "πλάτος" του ντους, την αναλογία μεταξύ του αριθμού ηλεκτρονίων και μιονίων, μεταξύ του αριθμού των πιο ενεργητικών ηλεκτρόνια και ο συνολικός αριθμός τους. Όλα αυτά τα δεδομένα υποδεικνύουν ότι με μια αύξηση της ενέργειας των πρωτογενών σωματιδίων από το αριστερό όριο του φάσματος πριν από τη διάσπασή του στην ενέργεια μετά το σπάσιμο, μέσο βάρος. Αυτή η αλλαγή στη σύνθεση μάζας των σωματιδίων είναι σύμφωνη με το μοντέλο της επιτάχυνσης των σωματιδίων στους σουπερνόβα - περιορίζεται από τη μέγιστη ενέργεια, η οποία εξαρτάται από το φορτίο του σωματιδίου. Για τα πρωτόνια, αυτή η μέγιστη ενέργεια είναι της τάξης των 3·10 15 eV και αυξάνεται αναλογικά με το φορτίο του επιταχυνόμενου σωματιδίου (πυρήνα), έτσι ώστε οι πυρήνες του σιδήρου να επιταχύνονται αποτελεσματικά μέχρι τα ~10 17 eV. Η ένταση των ροών των σωματιδίων με ενέργεια που υπερβαίνει το μέγιστο μειώνεται γρήγορα.

Όμως η καταγραφή σωματιδίων με ακόμη υψηλότερες ενέργειες (~3·10 18 eV) έδειξε ότι το φάσμα των κοσμικών ακτίνων όχι μόνο δεν σπάει, αλλά επιστρέφει στη μορφή που παρατηρήθηκε πριν από τη διάσπαση!

Μετρήσεις του ενεργειακού φάσματος στην «υπερυψηλή» ενεργειακή περιοχή ( μι> 10 18 eV) είναι πολύ δύσκολα λόγω του μικρού αριθμού τέτοιων σωματιδίων. Για την παρατήρηση αυτών των σπάνιων γεγονότων, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα δίκτυο ανιχνευτών για τη ροή των σωματιδίων EAS και της ακτινοβολίας Vavilov-Cherenkov και ακτινοβολίας ιονισμού (ατμοσφαιρικός φθορισμός) που δημιουργούνται από αυτά στην ατμόσφαιρα σε μια περιοχή εκατοντάδων και ακόμη χιλιάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων. Για τόσο μεγάλες, πολύπλοκες εγκαταστάσεις, επιλέγονται τοποθεσίες με περιορισμένη οικονομική δραστηριότητα, αλλά με δυνατότητα εξασφάλισης αξιόπιστης λειτουργίας ενός τεράστιου αριθμού ανιχνευτών. Τέτοιες εγκαταστάσεις κατασκευάστηκαν πρώτα σε περιοχές δεκάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων (Yakutsk, Havera Park, Akeno), μετά εκατοντάδες (AGASA, Fly's Eye, HiRes) και τέλος, τώρα δημιουργούνται εγκαταστάσεις χιλιάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων (Πιερ Αστεροσκοπείο Pierre Auger in Αργεντινή, Τηλεσκοπική εγκατάσταση στη Γιούτα των ΗΠΑ).

Το επόμενο βήμα στη μελέτη των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας θα είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου για την ανίχνευση EAS με παρατήρηση του ατμοσφαιρικού φθορισμού από το διάστημα. Σε συνεργασία με πολλές χώρες, η Ρωσία δημιουργεί τον πρώτο διαστημικό ανιχνευτή EAS, το έργο TUS. Ένας άλλος τέτοιος ανιχνευτής αναμένεται να εγκατασταθεί στο International διαστημικός σταθμός ISS (έργα JEM-EUSO και KLPVE).

Τι γνωρίζουμε σήμερα για τις κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας; Το κάτω σχήμα δείχνει το ενεργειακό φάσμα των κοσμικών ακτίνων με ενέργειες πάνω από 10 18 eV, οι οποίες ελήφθησαν χρησιμοποιώντας εγκαταστάσεις τελευταίας γενιάς (HiRes, Pierre Auger Observatory) μαζί με δεδομένα για κοσμικές ακτίνες χαμηλότερων ενεργειών, οι οποίες, όπως φαίνεται παραπάνω, ανήκουν ο Γαλαξίας του Γαλαξία. Μπορεί να φανεί ότι στις ενέργειες 3·10 18 –3·10 19 eV ο δείκτης φάσματος διαφορικής ενέργειας μειώθηκε σε μια τιμή 2,7–2,8, ακριβώς όπως αυτή που παρατηρήθηκε για τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, όταν οι ενέργειες των σωματιδίων είναι πολύ χαμηλότερες από τις μέγιστο δυνατό για γαλαξιακούς επιταχυντές . Αυτό δεν δείχνει ότι σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες η κύρια ροή των σωματιδίων δημιουργείται από επιταχυντές εξωγαλαξιακής προέλευσης με μέγιστη ενέργεια σημαντικά υψηλότερη από τη γαλαξιακή; Το διάλειμμα στο φάσμα των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων δείχνει ότι η συμβολή των εξωγαλαξιακών κοσμικών ακτίνων αλλάζει απότομα κατά τη μετάβαση από την περιοχή μέτριων ενεργειών 10 14 – 10 16 eV, όπου είναι περίπου 30 φορές μικρότερη από τη συμβολή των γαλαξιακών (το φάσμα που υποδεικνύεται από τη διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα), στην περιοχή των εξαιρετικά υψηλών ενεργειών όπου γίνεται κυρίαρχη.

Τις τελευταίες δεκαετίες, πολλά αστρονομικά δεδομένα έχουν συσσωρευτεί σε εξωγαλαξιακά αντικείμενα ικανά να επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια σε ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από 10 19 eV. Προφανές σημάδιότι το αντικείμενο είναι το μέγεθος ρεμπορεί να επιταχύνει τα σωματίδια σε ενέργεια μι, είναι η παρουσία σε όλο αυτό το αντικείμενο ενός μαγνητικού πεδίου Β τέτοιο ώστε η γυροραδία του σωματιδίου να είναι μικρότερη ρε. Τέτοιες υποψήφιες πηγές περιλαμβάνουν ραδιογαλαξίες (που εκπέμπουν ισχυρές ραδιοεκπομπές). πυρήνες ενεργών γαλαξιών που περιέχουν μαύρες τρύπες. συγκρουόμενοι γαλαξίες. Όλα περιέχουν πίδακες αερίου (πλάσμα) που κινούνται με τεράστιες ταχύτητες, πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός. Τέτοιοι πίδακες παίζουν το ρόλο των κρουστικών κυμάτων που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του επιταχυντή. Για να εκτιμηθεί η συμβολή τους στην παρατηρούμενη ένταση των κοσμικών ακτίνων, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η κατανομή των πηγών σε αποστάσεις από τη Γη και οι απώλειες ενέργειας των σωματιδίων στον διαγαλαξιακό χώρο. Πριν από την ανακάλυψη της κοσμικής ραδιοεκπομπής υποβάθρου, ο διαγαλαξιακός χώρος φαινόταν «άδειος» και διαφανής όχι μόνο για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά και για τα σωματίδια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Η πυκνότητα του αερίου στο διαγαλαξιακό χώρο, σύμφωνα με αστρονομικά δεδομένα, είναι τόσο μικρή (10 –29 g/cm 3) που ακόμη και σε τεράστιες αποστάσεις εκατοντάδων δισεκατομμυρίων ετών φωτός (10 24 m) τα σωματίδια δεν συναντούν τους πυρήνες του αερίου άτομα. Ωστόσο, όταν αποδείχθηκε ότι το Σύμπαν είναι γεμάτο με φωτόνια χαμηλής ενέργειας (περίπου 500 φωτόνια/cm 3 με ενέργεια μι f ~ 10 – 3 eV), παραμένοντας μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, έγινε σαφές ότι τα πρωτόνια και οι πυρήνες με ενέργεια μεγαλύτερη μι~5·10 19 eV, το όριο Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), πρέπει να αλληλεπιδράσει με τα φωτόνια και να χάσει b Οτο μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς σας. Έτσι, το συντριπτικό τμήμα του Σύμπαντος, που βρίσκεται σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 10 7 έτη φωτός από εμάς, αποδείχθηκε ότι ήταν απρόσιτο για παρατήρηση σε ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη από 5·10 19 eV. Πρόσφατα πειραματικά δεδομένα για το φάσμα των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας (εγκατάσταση HiRes, Παρατηρητήριο Pierre Auger) επιβεβαιώνουν την ύπαρξη αυτού του ενεργειακού ορίου για τα σωματίδια που παρατηρούνται από τη Γη.

Όπως μπορείτε να δείτε, είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθεί η προέλευση των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας: η πλειονότητα των πιθανών πηγών κοσμικών ακτίνων των υψηλότερων ενεργειών (πάνω από το όριο GZK) είναι τόσο μακριά που τα σωματίδια χάνουν την ενέργεια που αποκτάται στην πηγή στο δρόμο τους προς τη Γη. Και σε ενέργειες μικρότερες από το όριο GZK, απόκλιση σωματιδίων μαγνητικό πεδίοΟ γαλαξίας είναι ακόμα μεγάλος και η κατεύθυνση άφιξης των σωματιδίων είναι απίθανο να υποδεικνύει τη θέση της πηγής στην ουράνια σφαίρα.

Στην αναζήτηση πηγών κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, μια ανάλυση της συσχέτισης της πειραματικά μετρημένης κατεύθυνσης άφιξης των σωματιδίων με υψηλές ενέργειες- έτσι ώστε τα πεδία του Γαλαξία να εκτρέπουν ελαφρώς τα σωματίδια από την κατεύθυνση προς την πηγή. Οι εγκαταστάσεις προηγούμενης γενιάς δεν έχουν ακόμη παράσχει πειστικά στοιχεία για τη συσχέτιση της κατεύθυνσης άφιξης των σωματιδίων με τις συντεταγμένες οποιασδήποτε ειδικά επιλεγμένης κατηγορίας αστροφυσικών αντικειμένων. Τα τελευταία δεδομένα από το Παρατηρητήριο Pierre Auger μπορούν να θεωρηθούν ως ελπίδα για τη λήψη δεδομένων τα επόμενα χρόνια σχετικά με τον ρόλο των πηγών τύπου AGN στη δημιουργία βαριές ροέςσωματίδια με ενέργειες της τάξης του ορίου GZK.

Είναι ενδιαφέρον ότι η εγκατάσταση AGASA έλαβε ενδείξεις για την ύπαρξη «κενών» κατευθύνσεων (αυτών όπου δεν υπάρχουν γνωστές πηγές), κατά μήκος των οποίων φτάνουν δύο ή και τρία σωματίδια κατά τη διάρκεια της παρατήρησης. Αυτό προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρονμεταξύ των φυσικών που ασχολούνται με την κοσμολογία - την επιστήμη της προέλευσης και της ανάπτυξης του Σύμπαντος, άρρηκτα συνδεδεμένη με τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Αποδεικνύεται ότι σε ορισμένα μοντέλα της δομής του μικρόκοσμου και της ανάπτυξης του Σύμπαντος (θεωρία του Big Bang), η διατήρηση στο σύγχρονο Σύμπαν υπερμεγέθων στοιχειωδών σωματιδίων με μάζα της τάξης των 10 23 -10 24 eV είναι προβλεπόταν, από το οποίο θα έπρεπε να αποτελείται το ίδιο το θέμα πρώιμο στάδιοΜεγάλη έκρηξη. Η κατανομή τους στο Σύμπαν δεν είναι πολύ σαφής: μπορούν είτε να κατανεμηθούν ομοιόμορφα στο διάστημα είτε να «έλκονται» σε ογκώδεις περιοχές του Σύμπαντος. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι αυτά τα σωματίδια είναι ασταθή και μπορούν να διασπαστούν σε ελαφρύτερα, συμπεριλαμβανομένων σταθερών πρωτονίων, φωτονίων και νετρίνων, τα οποία αποκτούν τεράστιες κινητικές ενέργειες - πάνω από 10 20 eV. Τα μέρη όπου διατηρούνται τέτοια σωματίδια (τοπολογικά ελαττώματα του Σύμπαντος) μπορεί να αποδειχθούν πηγές πρωτονίων, φωτονίων ή νετρίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.

Όπως και στην περίπτωση των γαλαξιακών πηγών, η ύπαρξη εξωγαλαξιακών επιταχυντών υπερυψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων επιβεβαιώνεται από δεδομένα από ανιχνευτές ακτίνων γάμμα, για παράδειγμα, τα τηλεσκόπια HESS, που στοχεύουν στα παραπάνω εξωγαλαξιακά αντικείμενα - υποψήφια για πηγές κοσμικών ακτίνων.

Μεταξύ αυτών, οι πιο πολλά υποσχόμενοι ήταν οι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες (AGNs) με πίδακες αερίου. Ένα από τα πιο καλά μελετημένα αντικείμενα στην εγκατάσταση HESS είναι ο γαλαξίας M87 στον αστερισμό της Παρθένου, σε απόσταση 50 εκατομμυρίων ετών φωτός από τον Γαλαξία μας. Στο κέντρο της υπάρχει μια μαύρη τρύπα, η οποία παρέχει ενέργεια στις διεργασίες κοντά της και, ειδικότερα, στον γιγάντιο πίδακα πλάσματος που ανήκει σε αυτόν τον γαλαξία. Η επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων στο M87 επιβεβαιώνεται άμεσα από τις παρατηρήσεις της ακτινοβολίας γάμμα του, το ενεργειακό φάσμα των φωτονίων με ενέργεια 1–10 TeV (10 12 – 10 13 eV), που παρατηρείται στην εγκατάσταση HESS. Η παρατηρούμενη ένταση ακτίνων γάμμα από το M87 είναι περίπου το 3% της έντασης του Καβούρι. Λαμβάνοντας υπόψη τη διαφορά στην απόσταση από αυτά τα αντικείμενα (5000 φορές), αυτό σημαίνει ότι η φωτεινότητα του M87 υπερβαίνει τη φωτεινότητα του Καβούρι κατά 25 εκατομμύρια φορές!

Τα μοντέλα επιτάχυνσης σωματιδίων που δημιουργήθηκαν για αυτό το αντικείμενο υποδεικνύουν ότι η ένταση των σωματιδίων που επιταχύνθηκαν στο M87 θα μπορούσε να είναι τόσο μεγάλη που ακόμη και σε απόσταση 50 εκατομμυρίων ετών φωτός, η συμβολή αυτής της πηγής θα μπορούσε να παράγει την παρατηρούμενη ένταση των κοσμικών ακτίνων με ενέργειες πάνω από 10 19 eV .

Αλλά εδώ υπάρχει ένα μυστήριο: στα σύγχρονα δεδομένα για τα EASs προς αυτήν την πηγή δεν υπάρχει περίσσεια σωματιδίων με ενέργεια της τάξης των 10 19 eV. Αλλά αυτή η πηγή δεν θα εμφανίζεται στα αποτελέσματα μελλοντικών διαστημικών πειραμάτων, σε τέτοιες ενέργειες που οι μακρινές πηγές δεν συμβάλλουν πλέον στα παρατηρούμενα γεγονότα; Η κατάσταση με μια διακοπή στο ενεργειακό φάσμα μπορεί να επαναληφθεί ξανά, για παράδειγμα σε ενέργεια 2·10 20 . Αλλά αυτή τη φορά η πηγή θα πρέπει να είναι ορατή σε μετρήσεις της κατεύθυνσης της τροχιάς του πρωτεύοντος σωματιδίου, καθώς οι ενέργειες > 2·10 20 eV είναι τόσο υψηλές που τα σωματίδια δεν πρέπει να εκτρέπονται στα γαλαξιακά μαγνητικά πεδία.

Όπως βλέπουμε, μετά από έναν αιώνα μελέτης των κοσμικών ακτίνων, περιμένουμε και πάλι νέες ανακαλύψεις, αυτή τη φορά κοσμική ακτινοβολία εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, η φύση της οποίας είναι ακόμα άγνωστη, αλλά μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στη δομή του Σύμπαντος.

Βιβλιογραφία:
1) Dobrotin N.A. Κοσμικές ακτίνες. - Μ.: Εκδοτικός οίκος. Ακαδημία Επιστημών της ΕΣΣΔ, 1963.
2) Murzin V.S. Εισαγωγή στη Φυσική των Κοσμικών Ακτίνων. - Μ.: Εκδοτικός οίκος. Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας, 1988.
3) Panasyuk M. I. Strangers of the Universe, ή Echoes of the Big Bang. - Fryazino: “Vek2”, 2005.
4) Rossi B. Κοσμικές ακτίνες. - Μ.: Atomizdat, 1966.
5) Khrenov B.A. Σχετικιστικοί μετεωρίτες// Επιστήμη στη Ρωσία, 2001, αρ. 4.
6) Khrenov B.A. και Panasyuk M.I. Αγγελιαφόροι του διαστήματος: μακριά ή κοντά;// Φύση, 2006, αρ. 2.
7) Khrenov B.A. και Klimov P.A. Αναμένεται άνοιγμα// Φύση, 2008, Αρ. 4.

Οι νόμοι διατήρησης τηρήθηκαν αυστηρά σε όλες τις περιπτώσεις που περιγράφηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια. Όταν ένας από τους νόμους αποδείχτηκε ατελής, έπρεπε να ερμηνευθεί διαφορετικά. Έτσι, ο παλιός νόμος διατήρησης της μάζας επεκτάθηκε και μετατράπηκε σε γενικότερο νόμο διατήρησης της ενέργειας. Από την άλλη πλευρά, όταν τα αναμενόμενα γεγονότα δεν συνέβησαν στην πραγματικότητα, κατέληξαν νέο νόμοδιατήρηση (όπως συνέβη με τον νόμο διατήρησης του αριθμού βαρυονίου). Ωστόσο, δεν είναι πάντα εύκολο να αποδειχθεί ότι οι νόμοι διατήρησης τηρούνται επακριβώς. Μια ιδιαίτερα μυστηριώδης κατάσταση προέκυψε στην αυγή της ανάπτυξης της πυρηνικής φυσικής κατά τη μελέτη της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που εκπέμπονται από ραδιενεργές ουσίες.

Η ενέργεια ενός σωματιδίου α μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας τις μάζες του αρχικού ραδιενεργού πυρήνα, του σωματιδίου α και του τελικού πυρήνα. Η συνολική μάζα του σωματιδίου β και του τελικού πυρήνα πρέπει να είναι ελαφρώς μικρότερη από τη μάζα του αρχικού πυρήνα και το ενεργειακό ισοδύναμο της μάζας που λείπει πρέπει να είναι ίσο με την κινητική ενέργεια του σωματιδίου β. Οι φυσικοί μπόρεσαν να μετρήσουν με μεγάλη ακρίβεια τις μάζες διαφόρων πυρήνων και άλλων σωματιδίων μόνο στη δεκαετία του '20 του αιώνα μας. Ωστόσο, έκαναν μερικά σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τις ενέργειες των σωματιδίων χωρίς να γνωρίζουν τις ακριβείς τιμές των μαζών.

Ας εξετάσουμε το θόριο-232, το οποίο διασπάται σε σωματίδιο (ήλιο-4) και ράδιο-228. Όλοι οι πυρήνες του θορίου-232 έχουν την ίδια μάζα. Οι μάζες όλων των πυρήνων του ραδίου-228 έχουν επίσης την ίδια τιμή, όπως και οι μάζες όλων των σωματιδίων β. Χωρίς να γνωρίζουμε το μέγεθος αυτών των μαζών, μπορούμε ακόμα να πούμε ότι κάθε φορά που ένα άτομο θορίου-232 εκπέμπει ένα σωματίδιο β, το έλλειμμα μάζας θα πρέπει να είναι το ίδιο, και επομένως, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων β πρέπει να είναι ίδια. Με άλλα λόγια, το θόριο-232 θα πρέπει να εκπέμπει σωματίδια β με την ίδια ενέργεια.

Πώς μπορούμε να προσδιορίσουμε την κινητική ενέργεια των σωματιδίων; Είναι γνωστό ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια ενός σωματιδίου, τόσο πιο βαθιά διεισδύει στην ύλη. ?-Τα σωματίδια επιβραδύνονται πολύ λεπτό στρώμαστερεό, αλλά μπορεί να περάσει μέσα από ένα στρώμα αέρα πάχους πολλών εκατοστών. Ταυτόχρονα, τα σωματίδια β μεταφέρουν συνεχώς ενέργεια στα μόρια του αέρα με τα οποία συγκρούονται, σταδιακά επιβραδύνουν και, συλλαμβάνοντας ηλεκτρόνια, γίνονται τελικά συνηθισμένα άτομα ηλίου. Σε αυτήν την κατάσταση, δεν μπορούν πλέον να ανιχνευθούν με τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των σωματιδίων β, επομένως στην πραγματικότητα εξαφανίζονται.

Μπορείτε να ανιχνεύσετε;-σωματίδια χρησιμοποιώντας φιλμ χημική ένωση, που ονομάζεται θειούχος ψευδάργυρος. Κάθε φορά που ένα σωματίδιο χτυπά ένα τέτοιο φιλμ, προκαλεί μια αχνή λάμψη φωτός. Εάν τοποθετήσετε κοντά σε μια πηγή σωματιδίων; (ας πούμε, ένα κομμάτι θορίου-232 σε ένα δοχείο μολύβδου με πολύ στενή τρύπα) μετρητής σπινθηρισμών,τότε ο αριθμός των φλας θα αντιστοιχεί στον αριθμό των σωματιδίων που δημιουργούνται. Εάν ο μετρητής σπινθηρισμού τοποθετηθεί όλο και πιο μακριά από την πηγή, τα σωματίδια β θα πρέπει να περάσουν από όλο και περισσότερο αέρα για να φτάσουν σε αυτόν. Εάν τα σωματίδια β εκπέμπονταν με διαφορετικές ενέργειες, τότε αυτά με τη χαμηλότερη ενέργεια θα εξαφανίζονταν πολύ γρήγορα, τα πιο «ενεργητικά» σωματίδια β θα ταξίδευαν σε μεγαλύτερη απόσταση στον αέρα κ.λπ. Ως αποτέλεσμα, καθώς ο μετρητής σπινθηρισμού απομακρύνεται από η πηγή, ο αριθμός των σωματιδίων β, που πέφτουν στον μετρητή, θα πρέπει σταδιακά να μειωθεί. Εάν τα σωματίδια β εκπέμπονταν με την ίδια ενέργεια, όλα θα ταξίδευαν στην ίδια διαδρομή μέσω του αέρα. Κατά συνέπεια, ένας μετρητής σπινθηρισμού θα πρέπει να καταγράψει τον ίδιο αριθμό σωματιδίων καθώς απομακρύνεται από την πηγή, μέχρι ένα ορισμένο κρίσιμο σημείο, πέρα ​​από το οποίο δεν θα καταγράφει ούτε μια λάμψη.

Ήταν αυτό το φαινόμενο που παρατηρήθηκε από τον Άγγλο φυσικό William Henry Bragg το 1904. Σχεδόν όλα τα σωματίδια β που εκπέμπονται από τους πυρήνες του ίδιου στοιχείου είχαν την ίδια ενέργεια και την ίδια διεισδυτική ισχύ. Όλα τα σωματίδια θορίου-232 πέρασαν από ένα στρώμα αέρα πάχους 2,8 εκ,όλα; - σωματίδια ραδίου-226 - 3.3 εκ,σωματίδια αβ-πολώνιο-212 - 8,6 εκ. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν κάποιες αποκλίσεις. Το 1929, ανακαλύφθηκε ότι ένα μικρό κλάσμα σωματιδίων από τον ίδιο ραδιενεργό πυρήνα θα μπορούσε να έχει ασυνήθιστα μεγάλο κινητική ενέργειακαι μεγαλύτερη διεισδυτική δύναμη από άλλα. Ο λόγος για αυτό είναι ότι ο αρχικός ραδιενεργός πυρήνας μπορεί να βρίσκεται σε ένα από τα συγκινημένες καταστάσεις.Σε διεγερμένες καταστάσεις, οι πυρήνες έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από ό,τι στην κανονική τους κατάσταση βασική προϋπόθεση.Όταν ένας πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο β ενώ βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, το σωματίδιο β λαμβάνει πρόσθετη ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, εκτός από την κύρια ομάδα σωματιδίων β, σχηματίζονται μικρές ομάδες σωματιδίων β με μεγαλύτερη διεισδυτική ισχύ, μία ομάδα για κάθε διεγερμένη κατάσταση.

Όταν ένας ραδιενεργός πυρήνας σχηματίζεται από τη διάσπαση ενός άλλου πυρήνα, μερικές φορές βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση από τη στιγμή που σχηματίζεται. Τότε τα περισσότερα από τα β-σωματίδια που εκπέμπονται από αυτό έχουν ασυνήθιστα υψηλή ενέργεια και τα β-σωματίδια με χαμηλότερη ενέργεια σχηματίζουν μικρές ομάδες. Αυτές οι ξεχωριστές ομάδες α-σωματιδίων (από 2 έως 13) με διαφορετικές ενέργειες σχηματίζονται εύροςα-σωματίδια ενός δεδομένου πυρήνα. Κάθε συστατικό του φάσματος αντιστοιχεί, όπως αναμένεται, σε μία από τις διεγερμένες καταστάσεις του πυρήνα. Άρα, πληρούται ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας των σωματιδίων β, κάτι που δεν μπορεί να ειπωθεί στην περίπτωση των σωματιδίων β.

Ενέργεια;-σωματίδια

Εάν όλα τα συμπεράσματα που εξήχθησαν για τα σωματίδια β ήταν εφαρμόσιμα στα σωματίδια β και οι θεωρούμενες ενεργειακές σχέσεις πληρούνταν, όλα τα σωματίδια β που σχηματίστηκαν κατά τη διάσπαση των πυρήνων θα είχαν την ίδια κινητική ενέργεια. Ωστόσο, ήδη από το 1900, δημιουργήθηκε η εντύπωση ότι τα σωματίδια β εκπέμπονται με οποιαδήποτε ενέργεια μέχρι μια ορισμένη μέγιστη τιμή. Μέσα στα επόμενα δεκαπέντε χρόνια, τα στοιχεία συσσωρεύτηκαν σταδιακά έως ότου έγινε απολύτως σαφές ότι οι ενέργειες των σωματιδίων β σχηματίζουν ένα συνεχές φάσμα.

Κάθε πυρήνας, εκπέμποντας ένα σωματίδιο κατά τη διάσπαση, χάνει μια ορισμένη ποσότηταμάζες. Η μείωση της μάζας πρέπει να αντιστοιχεί στο μέγεθος της κινητικής ενέργειας του σωματιδίου β. Σε αυτή την περίπτωση, η κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου οποιουδήποτε από τους γνωστούς μας ραδιενεργούς πυρήνες δεν υπερβαίνει την ενέργεια που ισοδυναμεί με τη μείωση της μάζας. Έτσι, η μείωση της μάζας κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε ραδιενεργής διάσπασης αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων β που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια αυτής της διάσπασης.

Όμως, σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, κανένα από τα σωματίδια β δεν πρέπει να έχει κινητική ενέργεια μικρότερη από την ενέργεια που ισοδυναμεί με τη μείωση της μάζας, δηλαδή, η μέγιστη κινητική ενέργεια του σωματιδίου β πρέπει επίσης να είναι ελάχιστη. Στην πραγματικότητα αυτό δεν ισχύει. Πολύ συχνά τα σωματίδια ? εκπέμπονται με λιγότερη κινητική ενέργεια από την αναμενόμενη, με μέγιστη τιμή που αντιστοιχεί στο νόμο

Η διατήρηση της ενέργειας είναι απίθανο να επιτευχθεί έστω και με ένα α-σωματίδιο. Μερικά α-σωματίδια έχουν κινητική ενέργεια ελαφρώς μικρότερη από τη μέγιστη τιμή, άλλα - πολύ μικρότερη, άλλα - πολύ μικρότερη. Η πιο κοινή τιμή για την κινητική ενέργεια είναι το ένα τρίτο της μέγιστης τιμής. Γενικά, περισσότερο από το ήμισυ της ενέργειας που θα πρέπει να προέρχεται από τη μείωση της μάζας κατά τη διάρκεια ραδιενεργών διασπάσεων που συνοδεύονται από το σχηματισμό σωματιδίων β δεν μπορεί να ανιχνευθεί.

Στη δεκαετία του '20, πολλοί φυσικοί είχαν ήδη την τάση να εγκαταλείψουν το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, τουλάχιστον για εκείνες τις διαδικασίες στις οποίες σχηματίζονται σωματίδια β. Η προοπτική ήταν ανησυχητική, αφού ο νόμος παρέμεινε δίκαιος σε όλες τις άλλες περιπτώσεις. Υπάρχει όμως άλλη εξήγηση για αυτό το φαινόμενο;

Το 1931, ο Wolfgang Pauli πρότεινε την ακόλουθη υπόθεση: το σωματίδιο β δεν λαμβάνει όλη την ενέργεια λόγω του γεγονότος ότι σχηματίζεται ένα δεύτερο σωματίδιο, το οποίο παρασύρει την υπόλοιπη ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί να κατανεμηθεί μεταξύ δύο σωματιδίων σε οποιαδήποτε αναλογία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, σχεδόν όλη η ενέργεια μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο και τότε έχει σχεδόν μέγιστη κινητική ενέργεια, που ισοδυναμεί με μείωση της μάζας.

Μερικές φορές σχεδόν όλη η ενέργεια μεταφέρεται στο δεύτερο σωματίδιο, τότε η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι ουσιαστικά μηδενική. Όταν η ενέργεια κατανέμεται πιο ομοιόμορφα μεταξύ δύο σωματιδίων, το ηλεκτρόνιο έχει ενδιάμεσες τιμές κινητικής ενέργειας.

Ποιο σωματίδιο ικανοποιεί την υπόθεση Pauli; Ας θυμηθούμε ότι τα σωματίδια; προκύπτουν κάθε φορά που ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο μέσα σε έναν πυρήνα. Όταν εξετάζουμε τη μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, είναι αναμφίβολα ευκολότερο να αντιμετωπίσουμε ένα ελεύθερο νετρόνιο. Το νετρόνιο δεν είχε ανακαλυφθεί όταν ο Pauli πρότεινε για πρώτη φορά τη θεωρία του. Μπορούμε να εκμεταλλευτούμε εκ των υστέρων.

Όταν ένα ελεύθερο νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, το τελευταίο πετάει έξω με οποιαδήποτε κινητική ενέργεια μέχρι τη μέγιστη, η οποία είναι περίπου ίση με 0,78 Μεβ. Η κατάσταση είναι παρόμοια με την εκπομπή ενός σωματιδίου α από έναν ραδιενεργό πυρήνα, επομένως, κατά την εξέταση της διάσπασης ενός ελεύθερου νετρονίου, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το σωματίδιο Pauli.

Ας υποδηλώσουμε το σωματίδιο Pauli Χκαι ας προσπαθήσουμε να μάθουμε τις ιδιότητές του. Ας γράψουμε την αντίδραση διάσπασης νετρονίων:

Π> p ++ e -+ Χ.

Εάν ο νόμος της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου ικανοποιείται κατά τη διάσπαση ενός νετρονίου, Χ-το σωματίδιο πρέπει να είναι ουδέτερο. Πράγματι, 0=1–1+0. Όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, η απώλεια μάζας είναι 0,00029 μονάδες στην κλίμακα ατομικής μάζας, που είναι περίπου η μισή μάζα του ηλεκτρονίου. Αν Χ-το σωματίδιο έλαβε ακόμη και όλη την ενέργεια που προέκυψε από την εξαφάνιση της μάζας, και αν όλη η ενέργεια πήγαινε στον σχηματισμό της μάζας, η μάζα Χθα ήταν μόνο η μισή μάζα ενός ηλεκτρονίου. Ως εκ τούτου, Χ-το σωματίδιο πρέπει να είναι ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Στην πραγματικότητα, θα πρέπει να είναι πολύ ελαφρύτερο, αφού συνήθως το ηλεκτρόνιο λαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται, και μερικές φορές σχεδόν όλη. Επιπλέον, είναι απίθανο να μεταφερθεί η ενέργεια Χ-σωματίδιο, μετατρέπεται πλήρως σε μάζα. ένα σημαντικό μέρος του μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια Χ-σωματίδια. Με τα χρόνια, μαζική εκτίμηση Χ-τα σωματίδια γίνονταν όλο και μικρότερα. Τελικά έγινε σαφές ότι Χ-ένα σωματίδιο, όπως ένα φωτόνιο, δεν έχει μάζα, δηλαδή, όπως ένα φωτόνιο, διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός από τη στιγμή της προέλευσής του. Εάν η ενέργεια του φωτονίου εξαρτάται από το μήκος κύματος, η ενέργεια Χ-τα σωματίδια εξαρτώνται από κάτι παρόμοιο.

Κατά συνέπεια, το σωματίδιο Pauli δεν έχει ούτε μάζα ούτε φορτίο και γίνεται σαφές γιατί παραμένει «αόρατο». Τα φορτισμένα σωματίδια συνήθως ανιχνεύονται λόγω των ιόντων που σχηματίζουν. Το αφόρτιστο νετρόνιο ανακαλύφθηκε λόγω της μεγάλης του μάζας. Ένα σωματίδιο χωρίς μάζα και χωρίς φορτίο μπερδεύει τον φυσικό και του στερεί κάθε ευκαιρία να το πιάσει και να το μελετήσει.

Αμέσως μετά ο Pauli πρότεινε την ύπαρξη Χ-σωματίδια, πήρε όνομα. Στην αρχή ήθελαν να το ονομάσουν "νετρόνιο", καθώς δεν είναι φορτισμένο, αλλά ένα χρόνο μετά την εμφάνιση της υπόθεσης του Pauli, ο Chadwick ανακάλυψε ένα βαρύ αφόρτιστο σωματίδιο, το οποίο έλαβε αυτό το όνομα. Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi, εννοώντας ότι Χ-το σωματίδιο είναι πολύ ελαφρύτερο από το νετρόνιο που πρότεινε ο Chadwick να το ονομάσουμε σωματίδιο x νετρίνο,που στα ρωσικά σημαίνει «κάτι μικρό, ουδέτερο». Η πρόταση ήταν πολύ επιτυχημένη και από τότε λέγεται έτσι. Τα νετρίνα συνήθως υποδηλώνονται Ελληνικό γράμμα? "γυμνός" ) και η διάσπαση νετρονίων γράφεται ως εξής:

Π> p ++ e -+ ?..

Τα νετρίνα είναι απολύτως απαραίτητα

Η υπόθεση του Pauli για την ύπαρξη των νετρίνων και η μετέπειτα λεπτομερής θεωρία του Fermi για την παραγωγή νετρίνων χαιρετίστηκαν διαφορετικά από τους φυσικούς. Κανείς δεν ήθελε να εγκαταλείψει το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, αν και υπήρχαν σοβαρές αμφιβολίες για την ανάγκη να σωθεί αυτός ο νόμος με τη βοήθεια ενός σωματιδίου χωρίς μάζα και χωρίς φορτίο, ενός σωματιδίου που δεν μπορούσε να ανιχνευθεί, ενός σωματιδίου του οποίου ο μοναδικός λόγος γιατί η ύπαρξη ήταν απλώς η επιθυμία να σωθεί ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Μερικοί φυσικοί το θεώρησαν ως ένα σωματίδιο φάντασμα, ένα είδος κόλπου για την εξοικονόμηση ενέργειας «λογιστική». Στην πραγματικότητα, η έννοια των νετρίνων ήταν απλώς ένας τρόπος έκφρασης ότι «ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας δεν ισχύει». Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας δεν ήταν ο μόνος που σώθηκε από τα νετρίνα.

Ας θεωρήσουμε ένα ακίνητο νετρόνιο, δηλαδή ένα νετρόνιο με μηδενική ορμή σε σχέση με τον παρατηρητή. Κατά τη διάσπασή του, η συνολική ορμή του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου θα πρέπει να είναι μηδέν εάν η διάσπαση συνοδεύεται από το σχηματισμό μόνο δύο σωματιδίων. Το ηλεκτρόνιο πρέπει να πετάξει προς τα έξω προς μία κατεύθυνση και το πρωτόνιο ακριβώς στην αντίθετη κατεύθυνση (αλλά με μικρότερη ταχύτητα, καθώς η μάζα του είναι μεγαλύτερη ).

Ωστόσο, δεν είναι. Το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο εκπέμπονται σε κατευθύνσεις που σχηματίζουν μια συγκεκριμένη γωνία. Μια μικρή ολική ώθηση προς την κατεύθυνση της εκπομπής σωματιδίων εμφανίζεται σαν να μην είναι καθόλου αέρας και ο νόμος της διατήρησης της ορμής παραβιάζεται. Ωστόσο, εάν σε αυτή την περίπτωση παραχθεί ένα νετρίνο, μπορεί να πετάξει προς τα έξω προς μια τέτοια κατεύθυνση ώστε να αντισταθμίσει ακριβώς τη συνολική ορμή των άλλων δύο σωματιδίων (Εικ. 6).

Με άλλα λόγια, ο νόμος της διατήρησης της ορμής ικανοποιείται μόνο λόγω των νετρίνων.

Ρύζι. 6. Διάσπαση νετρονίων.

Είναι εύκολο να δούμε ότι η κατάσταση είναι παρόμοια με τη γωνιακή ορμή. Το νετρόνιο, το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο έχουν το καθένα σπιν +1/2 ή -1/2. Ας υποθέσουμε ότι το σπιν νετρονίου είναι +1/2. Κατά τη διάσπασή του, το συνολικό σπιν του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου θα πρέπει να είναι ίσο με +1/2, εάν ισχύει ο νόμος διατήρησης της γωνιακής ορμής και μόνο αυτά τα δύο σωματίδια σχηματίζονται κατά τη διάσπαση. Είναι δυνατόν? Τα σπιν ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου μπορεί να είναι ίσα με +1/2 και +1/2. +1/2 και -1/2; -1/2 και -1/2, δηλαδή το συνολικό σπιν και των δύο σωματιδίων είναι +1, 0 και -1, αντίστοιχα. Δεν είναι ίσο και δεν μπορεί ποτέ να είναι ίσο με +1/2 ή -1/2, αν αρχικά το σπιν νετρονίων ήταν ίσο με -1/2. Εν ολίγοις, εάν ένα νετρόνιο διασπαστεί μόνο σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, ο νόμος της διατήρησης της γωνιακής ορμής παραβιάζεται.

Ας υποθέσουμε όμως ότι η διάσπαση παράγει ένα νετρίνο με σπιν +1/2 ή -1/2. Τότε το συνολικό σπιν των τριών σωματιδίων που προκύπτουν από τη διάσπαση θα είναι πάντα ίσο με το σπιν του αρχικού νετρονίου. Κατά συνέπεια, η ύπαρξη των νετρίνων «σώζει» τουλάχιστον τρεις νόμους: τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας, την ορμή και τη γωνιακή ορμή. Είναι αξιοσημείωτο ότι το ίδιο σωματίδιο κάνει τριπλή δουλειά.

Είναι δύσκολο να πει κανείς ποιο ήταν χειρότερο: η αναγνώριση της ύπαρξης ενός μυστηριώδους, απόκοσμου σωματιδίου ή η παραβίαση ενός νόμου διατήρησης. Είναι πολύ πιο εύκολο να κάνετε μια επιλογή μεταξύ ενός φανταστικού σωματιδίου και μιας παραβίασης τριών νόμων διατήρησης ταυτόχρονα. Οι φυσικοί έπρεπε να επιλέξουν ένα απόκοσμο σωματίδιο. Σταδιακά, η ύπαρξη νετρίνων αναγνωρίστηκε από πυρηνικούς επιστήμονες. Σταμάτησαν να αμφιβάλλουν για την πραγματικότητα των νετρίνων, είτε μπορούσαν να τα εντοπίσουν είτε όχι.

Διατήρηση αριθμού Lepton

Το νετρίνο όχι μόνο σώζει τρεις νόμους διατήρησης, αλλά δημιουργεί και έναν νέο. Για να καταλάβετε πώς συμβαίνει αυτό, εξετάστε τα νετρίνα σε σχέση με τα αντισωματίδια.

Ένα αντινετρόνιο διασπάται σε αντιπρωτόνιο και ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο). Η κατάσταση είναι παρόμοια με τη διάσπαση ενός νετρονίου. Το ποζιτρόνιο πετά έξω με λιγότερη κινητική ενέργεια από ό,τι θα έπρεπε, το ποζιτρόνιο και το αντιπρωτόνιο δεν πετούν σε αμοιβαία αντίθετες κατευθύνσεις και τα σπιν τους δεν αθροίζονται σωστά. Η προσθήκη νετρίνων θα εξισορροπήσει τα πάντα σε αυτή την περίπτωση.

Φυσικά, τίθεται το ερώτημα: σχηματίζεται το ίδιο νετρίνο κατά τη διάσπαση ενός αντινετρονίου και κατά τη διάσπαση ενός νετρονίου;

Δεν είναι δύσκολο να αποδείξουμε ότι τα νετρίνα είναι διαφορετικά. Ένα νετρίνο, που έχει σπιν σαν νετρόνιο, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που έχει δύο διαφορετικές κατευθύνσεις. Επομένως, τα νετρίνα και τα αντινετρόνια υπάρχουν με τον ίδιο τρόπο όπως τα νετρόνια και τα αντινετρόνια. Η διάσπαση ενός νετρονίου παράγει ένα από τα δίδυμα νετρίνων και η διάσπαση ενός αντινετρονίου παράγει το άλλο. Ποιος από αυτούς όμως συνοδεύει αυτή τη φθορά;

Έχω ήδη περιγράψει τον νόμο της διατήρησης του αριθμού του βαρυονίου, ο οποίος δηλώνει ότι ο συνολικός αριθμός βαρυονίου ενός κλειστού συστήματος παραμένει σταθερός. Υπάρχει παρόμοιο νόμος διατήρησης αριθμού λεπτονίων,Συμφωνα με το οποίο ο συνολικός αριθμός λεπτονίων ενός κλειστού συστήματος παραμένει αμετάβλητος;Γιατί δεν απαιτούμε από τα λεπτόνια το ίδιο όπως από τα βαρυόνια; Δυστυχώς, εάν τα νετρίνα δεν περιλαμβάνονται στην αντιπαροχή, τότε αυτό δεν μπορεί να γίνει.

Ας αποδώσουμε στο ηλεκτρόνιο αριθμός λεπτονίων+1, και ένα ποζιτρόνιο ή αντιηλεκτρόνιο έχει αριθμό λεπτονίου -1. Ένα φωτόνιο, που είναι το δικό του αντισωματίδιο, δεν μπορεί να έχει αριθμό λεπτονίου ούτε +1 ούτε -1, και θα ήταν λογικό να του αποδοθεί αριθμός λεπτονίου μηδέν. Όλα τα βαρυόνια έχουν επίσης μηδενικούς αριθμούς λεπτονίων.

Ας επιστρέψουμε ξανά στη διάσπαση του νετρονίου. Ας ξεκινήσουμε με ένα νετρόνιο, το οποίο έχει αριθμό βαρυονίου 1 και αριθμό λεπτονίων μηδέν. Ας υποθέσουμε ότι η διάσπαση ενός νετρονίου παράγει μόνο ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να έχουν συνολικό αριθμό βαρυονίου 1 και συνολικό αριθμό λεπτονίων 0 εάν και οι δύο αριθμοί διατηρηθούν. Πράγματι, το άθροισμα των αριθμών του βαρυονίου δύο σωματιδίων είναι ίσο με +1 (δηλαδή 1 + 0) σύμφωνα με το νόμο διατήρησης του αριθμού του βαρυονίου. Ο συνολικός αριθμός λεπτονίων ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου είναι επίσης ίσος με +1 (δηλαδή 1 + 0), αν και στην αρχή της αντίδρασης ο αριθμός των λεπτονίων ήταν μηδέν. Επομένως, ο αριθμός των λεπτονίων δεν διατηρείται.

Ας υποθέσουμε ότι τα λεπτόνια περιλαμβάνουν νετρίνα και αντινετρίνα με αριθμούς λεπτονίων + 1 και -1, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο, ο αριθμός των λεπτονίων διατηρείται (0 + 1–1 = 0) και η διάσπαση μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Π> p ++ e -+ "?,

πού "; - αντινετρίνο.

Όταν ένα αντινετρόνιο με μηδενικό αριθμό λεπτονίων διασπάται, παράγεται ένα αντιπρωτόνιο, ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Οι αριθμοί λεπτονίων των τριών σωματιδίων που προκύπτουν είναι 0, -1 και +1, αντίστοιχα, και το άθροισμά τους είναι μηδέν:

"Π> "R -+ "e ++ ?.

Σε ελεύθερη κατάσταση, τα νετρόνια και τα αντινετρόνια διασπώνται σε πρωτόνια και αντιπρωτόνια· δεν συμβαίνει το αντίστροφο. Ωστόσο, μέσα στους πυρήνες, τα πρωτόνια μερικές φορές μετατρέπονται αυθόρμητα σε νετρόνια (για παράδειγμα, στην περίπτωση του φωσφόρου-30). Ομοίως, στην αντιύλη, τα αντιπρωτόνια μετατρέπονται σε αντινετρόνια.

Όταν ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο, σχηματίζονται ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο:

p + > n + "e + + ?.

Όταν ένα αντιπρωτόνιο μετατρέπεται σε αντινετρόνιο, σχηματίζονται ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο:

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

Και στις δύο περιπτώσεις ο αριθμός των λεπτονίων διατηρείται. Συνοψίζοντας, μπορούμε να πούμε ότι η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου πρέπει να παράγει ένα αντινετρίνο, και η εκπομπή ενός ποζιτρονίου πρέπει να παράγει ένα νετρίνο, έτσι ώστε στο τέλος της διάσπασης ο αριθμός των λεπτονίων να είναι μηδέν.

Εάν ληφθούν υπόψη τα νετρίνα και τα αντινετρίνα, ο αριθμός των λεπτονίων διατηρείται σε όλες τις υποατομικές διεργασίες που μελετήθηκαν. Έτσι, η ύπαρξη των νετρίνων και των αντινετρίνων όχι μόνο έσωσε τους νόμους διατήρησης της ενέργειας, της ορμής και της γωνιακής ορμής, αλλά κατέστησε δυνατή την καθιέρωση του νόμου διατήρησης του αριθμού των λεπτονίων. Επομένως, ήταν πολύ δύσκολο για τους φυσικούς να μην αναγνωρίσουν την ύπαρξη αυτών των σωματιδίων.

Σημειώσεις:

Όσο μεγαλύτερη είναι η διεισδυτική ικανότητα των σωματιδίων β ενός δεδομένου πυρήνα, τόσο μεγαλύτερο είναι το έλλειμμα μάζας στη διαδικασία της ραδιενεργής διάσπασης και τόσο περισσότερο πιο πιθανόαυτής της διάσπασης, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η διεισδυτική ικανότητα των σωματιδίων β, τόσο μικρότερη περίοδοςχρόνος ημιζωής του πυρήνα. Ενώ το θόριο-232 έχει χρόνο ημιζωής 14 δισεκατομμύρια χρόνια, το ράδιο-226 έχει χρόνο ημιζωής 1620 χρόνια και το πολώνιο-212 έχει χρόνο ημιζωής τρία δέκα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Πράγματι, αν είχα μπει στον πειρασμό να εισαγάγω την έννοια των νετρίνων στην αρχή του βιβλίου, θα ήταν δύσκολο να αποδείξω ότι τα νετρίνα δεν είναι προϊόν επιστημονικού μυστικισμού. Ωστόσο, δεδομένου ότι το πρώτο μισό του βιβλίου τονίζει το νόημα και τη σημασία των νόμων διατήρησης, μπορεί τώρα να αποδειχθεί ότι το νετρίνο, παρά όλες τις περίεργες ιδιότητες του, είναι ένα πραγματικό και απολύτως απαραίτητο σωματίδιο.