12.4. Հարաբերական մասնիկի էներգիա

12.4.1. Հարաբերական մասնիկի էներգիա

ընդհանուր էներգիահարաբերական մասնիկը բաղկացած է հարաբերական մասնիկի հանգստի էներգիայից և նրա կինետիկ էներգիայից.

E \u003d E 0 + T,

Զանգվածի և էներգիայի համարժեքություն(Էյնշտեյնի բանաձևը) թույլ է տալիս որոշել հարաբերական մասնիկի հանգստի էներգիան և դրա ընդհանուր էներգիան հետևյալ կերպ.

• հանգստի էներգիա -

E 0 \u003d m 0 c 2,

որտեղ m 0-ը հարաբերական մասնիկի հանգստի զանգվածն է (մասնիկի զանգվածն իր հղման համակարգում). c-ը լույսի արագությունն է վակուումում, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 մ/վ;

• ընդհանուր էներգիա -

E \u003d mc 2,

որտեղ m-ը շարժվող մասնիկի զանգվածն է (v հարաբերական արագությամբ դիտորդի նկատմամբ շարժվող մասնիկի զանգվածը); c-ն լույսի արագությունն է վակուումում, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 մ/վ:

Զանգվածների միջև կապը մ 0 (մասնիկի զանգվածը հանգիստ վիճակում) և m (շարժվող մասնիկի զանգվածը) տրված է

Կինետիկ էներգիահարաբերական մասնիկը որոշվում է տարբերությամբ.

T = E - E 0,

որտեղ E-ն շարժվող մասնիկի ընդհանուր էներգիան է, E = mc 2; E 0 - նշված մասնիկի հանգստի էներգիա, E 0 = m 0 c 2; m 0 և m զանգվածները կապված են բանաձևով

m = m 0 1 - v 2 c 2,

որտեղ m 0 մասնիկի զանգվածն է հղման համակարգում, որի նկատմամբ մասնիկը գտնվում է հանգստի վիճակում. m-ը հղման համակարգում գտնվող մասնիկի զանգվածն է, որի նկատմամբ մասնիկը շարժվում է v արագությամբ. c-ն լույսի արագությունն է վակուումում, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 մ/վ:

հստակորեն կինետիկ էներգիահարաբերական մասնիկը որոշվում է բանաձևով

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

Օրինակ 6. Հարաբերական մասնիկի արագությունը լույսի արագության 80%-ն է։ Որոշեք, թե մասնիկի ընդհանուր էներգիան քանի անգամ է մեծ նրա կինետիկ էներգիայից:

Լուծում. Հարաբերական մասնիկի ընդհանուր էներգիան հարաբերական մասնիկի մնացած էներգիայի և նրա կինետիկ էներգիայի գումարն է.

E \u003d E 0 + T,

որտեղ E-ը շարժվող մասնիկի ընդհանուր էներգիան է. E 0 - նշված մասնիկի հանգստի էներգիա; T-ն նրա կինետիկ էներգիան է։

Դրանից բխում է, որ կինետիկ էներգիան է տարբերությունը

T = E - E 0:

Ցանկալի արժեքը հարաբերակցությունն է

E T = E E - E 0:

Հաշվարկները պարզեցնելու համար մենք գտնում ենք ցանկալիի փոխադարձությունը.

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

որտեղ E 0 \u003d m 0 c 2; E = mc 2; մ 0 - հանգստի զանգված; m-ը շարժվող մասնիկի զանգվածն է; c-ն լույսի արագությունն է վակուումում։

E 0 և E արտահայտությունները փոխարինելով (T /E ) հարաբերության մեջ՝ ստացվում է

T E = 1 − m 0 c 2 m c 2 = 1 − m 0 m .

m 0 և m զանգվածների միջև կապը որոշվում է բանաձևով

m = m 0 1 - v 2 c 2,

որտեղ v-ը հարաբերական մասնիկի արագությունն է, v = 0,80c:

Եկեք այստեղից արտահայտենք զանգվածի հարաբերակցությունը.

m 0 m = 1 − v 2 c 2

և փոխարինիր այն (T /E ):

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

Եկեք հաշվարկենք.

T E \u003d 1 - 1 - (0.80 s) 2 c 2 \u003d 1 - 0.6 \u003d 0.4:

Ցանկալի արժեքը հակադարձ հարաբերակցությունն է

E T \u003d 1 0.4 \u003d 2.5.

Ռելյատիվիստական ​​մասնիկի ընդհանուր էներգիան նշված արագությամբ գերազանցում է նրա կինետիկ էներգիան 2,5 գործակցով։

Էջ 1

Մասնիկների առավելագույն էներգիան Van de Graaff գեներատորում, ինչպես ցանկացած ուղղակի գործողության արագացուցիչի դեպքում, սահմանափակվում է գնդակի և շրջակա օբյեկտների միջև ճեղքման լարման միջոցով: Նույնիսկ գոյություն ունեցող կայանքներում ամենազգույշ նախազգուշական միջոցների դեպքում խափանման լարումը չի կարող բարձրացվել տասը միլիոն վոլտից:

Եկեք հաշվարկենք մասնիկի առավելագույն էներգիան։ Դաշտի EQ-ի ամպլիտուդային արժեքի V2 գործակիցը ստացվում է, քանի որ դաշտի միջին արժեքը հաշվարկվում է տատանումների կես ցիկլի ընթացքում:

Եկեք հաշվարկենք մասնիկի առավելագույն էներգիան։ Դաշտի E0 ամպլիտուդային արժեքի 1/2 գործակիցը ստացվում է, քանի որ դաշտի միջին արժեքը հաշվարկվում է տատանումների կես շրջանի համար:

Եկեք հաշվարկենք մասնիկի առավելագույն էներգիան։

W-ի արժեքը, որը հավասար է մասնիկների առավելագույն էներգիային T0 K-ում, կոչվում է էներգիա Ֆերմի մակարդակ կամ պարզապես Ֆերմի մակարդակ։

Տիեզերական ճառագայթների կողմից էներգիայի կորուստները սահմանափակում են տիեզերական ճառագայթները կազմող մասնիկների առավելագույն էներգիան. այս սահմանափակումը կախված է մասնիկի տարիքից: 1969 - 1971 թվականներին ընկած ժամանակահատվածում։ Հրթիռային փորձերը տվել են 20-100 անգամ գերագնահատված մասունքային ճառագայթման ընդհանուր խտություն:

Տրիտիումը մաքուր է (3 արտանետող՝ 18 61 0 02 կՎ մասնիկների առավելագույն էներգիայով և 12 43 տարի կիսամյակ:

Մագնիսական դաշտը ցիկլոտրոնում հասնում է տասնյակ հազարավոր էերստեդների, խցիկի շառավիղը մի քանի մետր է, իսկ մասնիկների առավելագույն էներգիան՝ մինչև 107 էՎ։ Այս էներգիան համեմատաբար փոքր է, չնայած այն համարվում էր բավարար միջուկային տրոհման առաջին փորձերում։ Ցիկլոտրոնի վրա մեծ էներգիա չի ստացվում. հարաբերականության տեսությունից երևում է, որ մասնիկների զանգվածը մեծանում է արագությամբ, ինչի պատճառով շարժման ընթացքում նվազում է դրանց շրջանառության հաճախականությունը։

Տրիտիումի ճառագայթման գործողության առանձնահատկությունը որոշվում է նրա 3-մասնիկների տիրույթով։ Տրիտիումի p-սպեկտրում մասնիկների առավելագույն էներգիան համապատասխանում է 6 մկմ նյութի 1 գ/սմ3 նյութի խտության միջակայքին, և ճառագայթման էներգիայի 90%-ը ծախսվում է մոտ 0,5 մկմ հեռավորության վրա։ աղբյուրից։ Վերջին հանգամանքը, պարզվում է, չափազանց կարևոր է, քանի որ տրիտիումի ճառագայթման կլանումը տեղի է ունենում կենդանի բջջի չափի կարգի հեռավորության վրա, ի տարբերություն այնպիսի p-արտանետիչների, ինչպիսիք են ֆոսֆոր-32-ը կամ իտրիում-90-ը, ճառագայթումը: որը կլանում է ճառագայթված օրգանը։ Այս առումով կարևոր է հաշվի առնել տրիտիումի ներբջջային տեղայնացումը, քանի որ ենթաբջջային միավորների ռադիոզգայունությունը մեծապես տարբերվում է:

Քոլմանը [31, 851] օգտագործել է մեկ ռեզոնատոր, որում երկու մագնետրոնների օգնությամբ 28 ԳՀց հաճախականությամբ TM010 տիպի տատանումները գրգռվում են անկախ միացման անցքերի միջոցով։ 800 կՎտ ընդհանուր մուտքային հզորությամբ մասնիկների առավելագույն էներգիան 1 5 ՄէՎ է: Արագացնող ռեզոնատորի մեջ էլեկտրոններ ներարկելու համար պահանջվող արագությամբ և անհրաժեշտ փուլային տեղաշարժով, որը կապահովի բարձր ելքային էներգիա, օգտագործվում է նախնական փունջային ռեզոնատոր: . Սերիայի էլեկտրոդները միացված են ռեզիստորի բաժանարարին, որպեսզի դրանց պոտենցիալները բաշխվեն պարաբոլիկ օրենքի համաձայն։

Նոր մասնիկներ առաջացնելու տեսակետից հատկապես արդյունավետ են բախվող ճառագայթների արագացուցիչները (VI.5.4.3, VI.5.3.4), որոնցում բախվում են զրոյական ընդհանուր իմպուլս ունեցող մասնիկներ։ Դրա շնորհիվ նրանց ողջ կինետիկ էներգիան կարող է վերածվել ծնված մասնիկների հանգստի էներգիայի, որի ընդհանուր իմպուլսը նույնպես հավասար է զրոյի։ Սա արդեն բավականին մոտ է տիեզերական ճառագայթման մասնիկների առավելագույն էներգիային։

-ից արտանետվող բետա մասնիկներ ատոմային միջուկներբոլոր հնարավոր սկզբնական էներգիաներով (զրոյից մինչև որոշ առավելագույն), ունեն նյութի տարբեր միջակայքեր: Տարբեր ռադիոակտիվ իզոտոպների բետա մասնիկների ներթափանցման հզորությունը սովորաբար բնութագրվում է նյութի շերտի նվազագույն հաստությամբ, որն ամբողջությամբ կլանում է բոլոր բետա մասնիկները: Օրինակ, 2 ՄէՎ-ին հավասար մասնիկների առավելագույն էներգիա ունեցող բետա-մասնիկների հոսքից 3 5 մմ հաստությամբ լյումինեսցենցիայի շերտը պաշտպանում է պոլիստիրոլի շերտով: Ալֆա մասնիկները, որոնք շատ ավելի մեծ զանգված ունեն, քան բետա մասնիկները, ատոմային թաղանթների էլեկտրոնների հետ բախվելիս ունենում են շատ փոքր շեղումներ շարժման սկզբնական ուղղությունից և շարժվում են գրեթե ուղղագիծ:

Վ վերջին տարիներըշնորհիվ միջուկային ֆիզիկայի մի շարք կարևոր հայտնագործությունների լայն տարածումհաստաշերտ թիթեղների մեթոդը (p. Պրակտիկան ցույց է տվել, որ այս մեթոդը համատեղում է հետազոտության ծայրահեղ պարզությունն ու մեծ ճշգրտությունը: Լուսանկարչական թիթեղները, որոնք բարձրացված են օդապարիկների և հրթիռների վրա դեպի մթնոլորտի վերին շերտերը, հնարավորություն են տալիս ուսումնասիրել տիեզերական միջուկային փոխակերպումները. ճառագայթային մասնիկներ, որոնց էներգիան հազար անգամ գերազանցում է լաբորատոր պայմաններում արագացված մասնիկների առավելագույն էներգիան:

Հուլիսի 16, 2015 ժամը 00:57

Հարցրեք Էթանին #14. Տիեզերքի ամենաբարձր էներգիայի մասնիկները

• Հանրաճանաչ գիտություն,
• Ֆիզիկա

• Թարգմանություն

Իմ դիտարկումների արդյունքները լավագույնս բացատրվում են այն ենթադրությամբ, որ հսկայական ներթափանցող էներգիայի ճառագայթումը մեր մթնոլորտ է մտնում վերեւից։
- Վիկտոր Հեսս

Դուք կարող եք մտածել, որ ամենահզոր մասնիկների արագացուցիչները՝ SLAC, Fermilab, LHC, ամենաբարձր էներգիաների աղբյուրներն են, որոնք մենք կարող ենք տեսնել: Բայց այն ամենը, ինչ մենք փորձում ենք անել երկրի վրա, ոչինչ է դրա համեմատ բնական գործընթացներՏիեզերք.

Ընթերցողը հարցնում է.

Այն պահից, երբ մանկուց սկսեցի կարդալ Fantastic Four կոմիքսները, ես ցանկանում էի ավելին իմանալ տիեզերական ճառագայթների մասին: Կարող եք օգնել ինձ այս հարցում:

Եկեք նայենք:

Նույնիսկ մինչ Յուրի Գագարինը կկարողանար հեռանալ մեր մոլորակի մակերեւույթից, լայնորեն հայտնի էր, որ այնտեղ, մթնոլորտի պաշտպանությունից դուրս, տիեզերքը լցված է բարձր էներգիայի ճառագայթմամբ։ Ինչպե՞ս մենք իմացանք դրա մասին:

Առաջին կասկածներն առաջացել են էլեկտրասկոպով ամենապարզ փորձերի ժամանակ։

Եթե ​​դուք էլեկտրական լիցք տաք նման սարքին, որի մեջ երկու մետաղական թիթեղներ միացված են միմյանց, նրանք կստանան նույն լիցքը և կվանեն։ Դուք կարող եք ակնկալել, որ լիցքը ժամանակի ընթացքում դուրս կգա շրջակա օդ, այնպես որ կարող եք մտածել սարքը մեկուսացնելու մասին, օրինակ՝ դրա շուրջ վակուում ստեղծելով:

Բայց նույնիսկ այս դեպքում էլեկտրոսկոպը լիցքաթափվում է: Նույնիսկ եթե այն մեկուսացնեք կապարով, այն դեռ կթուլանա: Ինչպես փորձարարները հայտնաբերել են 20-րդ դարասկզբին, որքան բարձր եք բարձրացնում էլեկտրոսկոպը, այնքան ավելի արագ է այն լիցքաթափվելու: Մի քանի գիտնականներ ենթադրել են, որ արտահոսքը պայմանավորված է բարձր էներգիայի ճառագայթմամբ: Այն ունի բարձր թափանցող էներգիա և ծագում Երկրից դուրս։

Գիտության մեջ ընդունված է ստուգել վարկածները։ 1912 թվականին Վիկտոր Հեսը փորձարկում է անցկացրել օդապարիկի հետ, որտեղ նա փորձել է գտնել այս բարձր էներգիայի տիեզերական մասնիկները։ Եվ առատորեն գտավ դրանք՝ դառնալով տիեզերական ճառագայթների հայրը։

Վաղ դետեկտորները զարմանալիորեն պարզ էին: Դուք ստեղծում եք հատուկ էմուլսիա, որը «զգում» է լիցքավորված մասնիկների անցումը դրա միջով, և այդ ամենը դնում եք մագնիսական դաշտի մեջ։ Երբ մասնիկները անցնում են դրա միջով, դուք կարող եք սովորել երկու կարևոր բան.

• մասնիկների լիցք-զանգված հարաբերակցությունը
• և նրա արագությունը

որոնք կախված են նրանից, թե ինչպես է թեքվում մասնիկի ճանապարհը։ Սա կարելի է հաշվարկել՝ իմանալով կիրառական մագնիսական դաշտի ուժգնությունը:

1930-ականներին մի քանի փորձեր, ինչպես վաղ ցամաքային արագացուցիչներով, այնպես էլ տիեզերական ճառագայթների դետեկտորներով, շատ բան տվեցին. հետաքրքիր տեղեկություններ. Օրինակ, տիեզերական ճառագայթման մասնիկների մեծ մասը (90%) ունեին էներգիայի տարբեր մակարդակներ՝ մի քանի մեգաէլեկտրովոլտից մինչև այնքան բարձր էներգիա, որքան կարող եք չափել: Մնացած մեծ մասը ալֆա մասնիկներ էին կամ հելիումի միջուկներ՝ երկու պրոտոններով և նեյտրոններով, նույն էներգիայի մակարդակներում։

Երբ այս տիեզերական ճառագայթները հարվածում են Երկրի վերին մթնոլորտին, նրանք փոխազդում են դրա հետ և առաջ են բերում կասկադային ռեակցիաներ, որոնք ստեղծում են բարձր էներգիայի մասնիկների անձրև, ներառյալ երկու նորերը՝ պոզիտրոնը, որի գոյության մասին վարկածը 1930 թվականին ենթադրեց Դիրակը: Այն հակամատերիայի աշխարհից էլեկտրոնի զույգն է, նույն զանգվածը, բայց դրական լիցքով, իսկ մյուոնը անկայուն մասնիկ է՝ նույն լիցքով, ինչ էլեկտրոնը, բայց 206 անգամ ավելի ծանր։ Պոզիտրոնը հայտնաբերվել է Կարլ Անդերսենի կողմից 1932 թվականին, իսկ մյուոնը՝ նրա և իր աշակերտ Սեթ Նեդերմայերի կողմից 1936 թվականին, սակայն առաջին պոզիտրոնը հայտնաբերել է Պոլ Կուենզեն մի քանի տարի առաջ, որի մասին պատմությունը չգիտես ինչու մոռացել է։

Զարմանալին այն է, որ եթե ձեռքդ գետնին զուգահեռ ձգես, ամեն վայրկյան դրա միջով կանցնի մոտ 1 մյուոն։

Ձեր ձեռքով անցնող յուրաքանչյուր մյուոն ծնվում է տիեզերական ճառագայթների անձրևում, և դրանցից յուրաքանչյուրը հաստատում է հարաբերականության հատուկ տեսությունը: Տեսեք, այս մյուոնները ստեղծվում են մոտ 100 կմ բարձրության վրա, բայց մյուոնի կյանքի միջին տևողությունը 2,2 միկրովայրկյան է: Եթե ​​նույնիսկ նրանք շարժվեին լույսի արագությամբ, ապա նրանք կկարողանային անցնել միայն 660 մետրից ոչ ավելի, նախքան քայքայվելը: Բայց ժամանակի խեղաթյուրման պատճառով, քանի որ լույսի արագությանը մոտ արագությամբ շարժվող մասնիկի ժամանակը դանդաղում է անշարժ դիտորդի տեսանկյունից, այս արագ շարժվող մյուոնները կարող են ճանապարհ անցնել մինչև մակերես։ երկրագունդը նրանց քայքայվելուց առաջ։

Եթե ​​արագ գնանք դեպի այսօր, ապա կստացվի, որ մենք ճշգրիտ չափել ենք այս տիեզերական մասնիկների և՛ թիվը, և՛ էներգիայի սպեկտրը:

Մոտ 100 ԳէՎ էներգիայի մասնիկները ամենատարածվածն են, և մոտավորապես 1 այդպիսի մասնիկ է անցնում քառակուսի մետրԵրկրի մակերեսը ամեն վայրկյան: Եվ, չնայած կան ավելի բարձր էներգիայի մասնիկներ, դրանք շատ ավելի հազվադեպ են. որքան հազվադեպ, այնքան ավելի շատ էներգիա ենք վերցնում: Օրինակ, եթե վերցնենք 10 16 էՎ էներգիա, ապա այդպիսի մասնիկները քառակուսի մետրով կանցնեն տարին միայն մեկ անգամ։ Իսկ 5 × 10 10 ԳեՎ (կամ 5 × 10 19 էՎ) էներգիայով ամենաբարձր էներգիա ունեցող մասնիկները տարին մեկ անգամ կանցնեն 10 կմ կող ունեցող դետեկտորի միջով։

Նման գաղափարը բավականին տարօրինակ է թվում, և այնուամենայնիվ, դրա իրականացման համար կա պատճառ. պետք է լինի տիեզերական ճառագայթների էներգիայի սահմանափակում և Տիեզերքում պրոտոնների արագության սահմանափակում: Այն էներգիայի համար, որը մենք կարող ենք տալ պրոտոնին, կարող է սահմանափակում չկա. լիցքավորված մասնիկները կարող են արագանալ մագնիսական դաշտերի միջոցով, իսկ տիեզերքի ամենամեծ և ամենաակտիվ սև խոռոչները կարող են արագացնել պրոտոնները դեպի էներգիա, որը շատ ավելի մեծ է, քան մենք տեսել ենք:

Բայց նրանք պետք է ճանապարհորդեն տիեզերքով, որպեսզի հասնեն մեզ, և տիեզերքը լցված է շատ սառը, ցածր էներգիայի ճառագայթմամբ՝ տիեզերական ֆոնային ճառագայթմամբ:

Բարձր էներգիայի մասնիկները ստեղծվում են միայն այն շրջաններում, որտեղ գտնվում են Տիեզերքի ամենազանգվածային և ակտիվ սև խոռոչները, և դրանք բոլորը շատ հեռու են մեր գալակտիկայից: Եվ եթե մասնիկը առաջանում է 5 × 10 10 ԳեՎ-ից ավելի էներգիայով, այն կարող է ճանապարհորդել ոչ ավելի, քան մի քանի միլիոն լուսային տարի, մինչև ֆոտոններից մեկը մնա։ մեծ պայթյուն, չի փոխազդում դրա հետ՝ ստանալով պիոն։ Ավելորդ էներգիան կճառագայթվի, իսկ մնացած էներգիան կնվազի մինչև տիեզերական էներգիայի սահմանը, որը հայտնի է որպես Գրիզեն-Զացեպին-Կուզմին սահման:

Հետևաբար, մենք արեցինք միակ բանը, որը խելամիտ է թվում ֆիզիկոսներին. մենք կառուցեցինք անիրատեսական հսկայական դետեկտոր և սկսեցինք մասնիկներ փնտրել:

Աստղադիտարան. Պիեռ Օժերն անում է հենց դա՝ հաստատելով, որ կան տիեզերական ճառագայթներ, որոնք հասնում են, բայց չեն հաղթահարում էներգիայի այս սահմանը, որը 10 միլիոն անգամ գերազանցում է LHC-ում ձեռք բերված էներգիաները: Սա նշանակում է, որ ամենաարագ պրոտոնները, որոնք մենք երբևէ տեսել ենք, շարժվում են գրեթե լույսի արագությամբ (որը կազմում է ուղիղ 299,792,458 մ/վ), բայց մի փոքր ավելի դանդաղ։ Բայց ինչքա՞ն ավելի դանդաղ:

Ամենաարագ պրոտոնները, որոնք գտնվում են հենց սահմանի սահմանին, շարժվում են վայրկյանում 299,792,457,999999999999918 մետր արագությամբ: Եթե ​​նախկինում նման պրոտոն և ֆոտոն գործարկեք

Բորիս Արկադևիչ Խրենով,
ֆիզիկամաթեմատիկական գիտությունների դոկտոր, Միջուկային ֆիզիկայի գիտահետազոտական ​​ինստիտուտ. D. V. Skobeltsyn Մոսկվայի պետական ​​համալսարան Մ.Վ.Լոմոնոսով
«Գիտություն և կյանք» թիվ 10, 2008 թ

Գրեթե հարյուր տարի է անցել տիեզերական ճառագայթների հայտնաբերումից՝ լիցքավորված մասնիկների հոսքեր, որոնք գալիս են Տիեզերքի խորքերից: Այդ ժամանակից ի վեր տիեզերական ճառագայթման հետ կապված բազմաթիվ բացահայտումներ են արվել, սակայն դեռ շատ առեղծվածներ կան։ Դրանցից մեկը, թերևս, ամենահետաքրքիրն է. որտեղի՞ց են գալիս 1020 էՎ-ից ավելի էներգիա ունեցող մասնիկները, այսինքն՝ գրեթե միլիարդ տրիլիոն էլեկտրոն վոլտ, միլիոն անգամ ավելի, քան կստացվի ամենահզոր արագացուցիչում՝ Մեծը: Հադրոնային կոլայդեր. Ո՞ր ուժերն ու դաշտերն են արագացնում մասնիկները դեպի այդպիսի հրեշավոր էներգիաներ:

Տիեզերական ճառագայթները հայտնաբերվել են ավստրիացի ֆիզիկոս Վիկտոր Հեսսի կողմից 1912 թվականին։ Նա Վիեննայի Ռադիումի ինստիտուտի անդամ էր և հետազոտություններ էր կատարում իոնացված գազերի վերաբերյալ։ Այդ ժամանակ արդեն հայտնի էր, որ բոլոր գազերը (ներառյալ մթնոլորտը) միշտ փոքր-ինչ իոնացված են, ինչը վկայում է ռադիոակտիվ նյութի (ինչպես ռադիումի) առկայության մասին՝ կա՛մ գազի բաղադրության մեջ, կա՛մ իոնացումը չափող գործիքի մոտ, ամենայն հավանականությամբ: երկրակեղևում։ Փորձեր՝ իոնացման դետեկտորը բարձրացնելով դեպի օդապարիկստեղծվել են այս ենթադրությունը ստուգելու համար, քանի որ գազի իոնացումը պետք է նվազի երկրի մակերևույթից հեռավորության հետ: Պատասխանը հակառակն էր՝ Հեսը հայտնաբերեց ինչ-որ ճառագայթում, որի ինտենսիվությունն աճում էր բարձրության հետ։ Սա ենթադրում էր, որ այն գալիս է տիեզերքից, բայց վերջապես ապացուցեց այլմոլորակային ծագումճառագայթները հաջողվել են միայն բազմաթիվ փորձերից հետո (Նոբելյան մրցանակը Վ. Հեսսին շնորհվել է միայն 1936 թվականին)։ Հիշեցնենք, որ «ճառագայթում» տերմինը չի նշանակում, որ այդ ճառագայթներն իրենց բնույթով զուտ էլեկտրամագնիսական են (ինչպես արևի լույսը, ռադիոալիքները կամ ռենտգենյան ճառագայթները); այն օգտագործվել է մի երևույթի հայտնաբերման համար, որի բնույթը դեռ հայտնի չէր: Եվ չնայած շուտով պարզ դարձավ, որ տիեզերական ճառագայթների հիմնական բաղադրիչը արագացված լիցքավորված մասնիկներն են՝ պրոտոնները, տերմինը պահպանվել է։ Նոր երևույթի ուսումնասիրությունը արագ սկսեց տալ արդյունքներ, որոնք սովորաբար վերագրվում են «գիտության արդիությանը»:

Շատ բարձր էներգիայի տիեզերական մասնիկների հայտնաբերումը անմիջապես (պրոտոնային արագացուցիչի ստեղծումից շատ առաջ) հարց բարձրացրեց. ո՞րն է աստղաֆիզիկական օբյեկտներում լիցքավորված մասնիկների արագացման մեխանիզմը: Այսօր մենք գիտենք, որ պատասխանը ոչ տրիվիալ է. բնական, «տիեզերական» արագացուցիչը սկզբունքորեն տարբերվում է տեխնածին արագացուցիչներից:

Շուտով պարզ դարձավ, որ տիեզերական պրոտոնները, թռչելով նյութի միջով, փոխազդում են նրա ատոմների միջուկների հետ՝ առաջացնելով նախկինում անհայտ անկայուն տարրական մասնիկներ (դրանք դիտվել են հիմնականում Երկրի մթնոլորտում)։ Դրանց արտադրության մեխանիզմի ուսումնասիրությունը բեղմնավոր ճանապարհ է բացել տարրական մասնիկների սիստեմատիկա կառուցելու համար։ Լաբորատորիայում պրոտոններն ու էլեկտրոնները սովորել են արագացնել և ստանալ իրենց հսկայական հոսքերը՝ անհամեմատ ավելի խիտ, քան տիեզերական ճառագայթներում։ Ի վերջո, արագացուցիչներում էներգիա ստացած մասնիկների փոխազդեցության փորձերը հանգեցրին ստեղծմանը ժամանակակից նկարչությունմիկրոաշխարհ.

1938 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Պիեռ Օժերը հայտնաբերեց մի ուշագրավ երևույթ՝ երկրորդական տիեզերական մասնիկների հեղեղներ, որոնք առաջանում են առաջնային պրոտոնների և ծայրահեղ բարձր էներգիաների միջուկների փոխազդեցության արդյունքում մթնոլորտի ատոմների միջուկների հետ։ Պարզվել է, որ տիեզերական ճառագայթների սպեկտրում կան 10 15 -10 18 էՎ կարգի էներգիա ունեցող մասնիկներ՝ միլիոնավոր անգամ ավելի մեծ, քան լաբորատորիայում արագացված մասնիկների էներգիան։ Ակադեմիկոս Դմիտրի Վլադիմիրովիչ Սկոբելցինը տվել է հատուկ նշանակությունՆման մասնիկների ուսումնասիրությունը և պատերազմից անմիջապես հետո՝ 1947 թվականին, իր ամենամոտ գործընկերների՝ Գ. Տ. Զացեպինի և Ն. Ա. Դոբրոտինի հետ, նա կազմակերպեց մթնոլորտում երկրորդական մասնիկների կասկադների համապարփակ ուսումնասիրություն, որը կոչվում էր ընդարձակ օդային ցնցուղներ (EAS): Տիեզերական ճառագայթների առաջին ուսումնասիրությունների պատմությունը կարելի է գտնել Ն.Դոբրոտինի և Վ.Ռոսսիի գրքերում։ Ժամանակի ընթացքում դպրոցը Դ.Վ. Սկոբելցինան դարձել է աշխարհի ամենաուժեղներից մեկը և երկար տարիներորոշեց գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների ուսումնասիրության հիմնական ուղղությունները։ Դրա մեթոդները հնարավորություն են տվել ընդլայնել ուսումնասիրված էներգիաների տիրույթը 10 9 –10 13 էՎ-ից, գրանցված է ժ. փուչիկներև արբանյակներ՝ մինչև 10 13 –10 20 էՎ։ Երկու ասպեկտներ այս ուսումնասիրությունները հատկապես գրավիչ դարձրեցին:

Նախ, հնարավոր դարձավ օգտագործել հենց բնության կողմից ստեղծված բարձր էներգիայի պրոտոնները՝ ուսումնասիրելու դրանց փոխազդեցությունը մթնոլորտի ատոմների միջուկների հետ և վերծանելու տարրական մասնիկների լավագույն կառուցվածքը։

Երկրորդ, տիեզերքում հնարավոր եղավ գտնել առարկաներ, որոնք ընդունակ են արագացնել մասնիկները մինչև ծայրահեղ բարձր էներգիաներ:

Առաջին ասպեկտը պարզվեց, որ այնքան էլ արդյունավետ չէր, որքան կցանկանայիք. տարրական մասնիկների նուրբ կառուցվածքի ուսումնասիրությունը պրոտոնների փոխազդեցության վերաբերյալ շատ ավելի շատ տվյալներ էր պահանջում, քան տիեզերական ճառագայթները թույլ են տալիս ստանալ: Միևնույն ժամանակ, միկրոաշխարհի հայեցակարգում կարևոր ներդրում է ունեցել մեծամասնության կախվածության ուսումնասիրությունը. ընդհանուր բնութագրերըպրոտոնների փոխազդեցությունը նրանց էներգիայի վրա: Հենց EAS-ների ուսումնասիրության ժամանակ հայտնաբերվեց երկրորդական մասնիկների քանակի և դրանց էներգիայի բաշխման կախվածության առանձնահատկությունն առաջնային մասնիկի էներգիայից՝ կապված տարրական մասնիկների քվարկ-գլյուոնային կառուցվածքի հետ։ Հետագայում այս տվյալները հաստատվեցին արագացուցիչների վրա կատարված փորձերի ժամանակ:

Այսօր կառուցվել են տիեզերական ճառագայթների փոխազդեցության հուսալի մոդելներ մթնոլորտային ատոմների միջուկների հետ, որոնք հնարավորություն են տվել ուսումնասիրել ամենաբարձր էներգիաների դրանց առաջնային մասնիկների էներգետիկ սպեկտրը և կազմը։ Պարզ դարձավ, որ տիեզերական ճառագայթները Գալակտիկայի էվոլյուցիայում ոչ պակաս դեր են խաղում, քան նրա դաշտերն ու միջաստղային գազի հոսքերը. տիեզերական ճառագայթների, գազի և մագնիսական դաշտի հատուկ էներգիան մոտավորապես հավասար է 1 ԷՎ սմ 3-ի համար: Միջաստեղային միջավայրում էներգիայի նման հավասարակշռության դեպքում բնական է ենթադրել, որ տիեզերական ճառագայթների մասնիկների արագացումը, ամենայն հավանականությամբ, տեղի է ունենում այն ​​նույն օբյեկտներում, որոնք պատասխանատու են գազի տաքացման և արտանետման համար, օրինակ՝ Նոր և Գերնոր աստղերում։ նրանց պայթյունը։

Տիեզերական ճառագայթների արագացման առաջին մեխանիզմը առաջարկվել է Էնրիկո Ֆերմիի կողմից միջաստղային պլազմայի մագնիսացված ամպերի հետ պատահական բախվող պրոտոնների համար, սակայն չի կարողացել բացատրել բոլոր փորձարարական տվյալները: 1977թ.-ին ակադեմիկոս Գերմոգեն Ֆիլիպովիչ Կրիմսկին ցույց տվեց, որ այս մեխանիզմը պետք է արագացնի գերնոր աստղերի մնացորդների մասնիկները շատ ավելի ուժեղ հարվածային ալիքների ճակատներում, որոնց արագությունները մեծության կարգերով ավելի բարձր են, քան ամպերը: Այսօր հավաստիորեն ապացուցվել է, որ տիեզերական պրոտոնների և միջուկների արագացման մեխանիզմը գերնոր աստղերի թաղանթներում հարվածային ալիքով ամենաարդյունավետն է։ Բայց քիչ հավանական է, որ այն հնարավոր լինի վերարտադրել լաբորատոր պայմաններում. արագացումը համեմատաբար դանդաղ է և էներգիայի հսկայական ծախսեր է պահանջում արագացված մասնիկները պահելու համար: Գերնոր աստղերի թաղանթներում այս պայմանները գոյություն ունեն հենց պայթյունի բնույթի պատճառով: Հատկանշական է, որ տիեզերական ճառագայթների արագացումը տեղի է ունենում եզակի աստղաֆիզիկական օբյեկտում, որը պատասխանատու է ծանր միջուկների (հելիումից ավելի ծանր) միաձուլման համար, որոնք իրականում առկա են տիեզերական ճառագայթներում:

Մեր Գալակտիկայում կան մի քանի հայտնի գերնոր աստղեր, որոնք նկատվել են անզեն աչքով: Ամենահայտնին են Ցուլ համաստեղության Խեցգետնի միգամածությունը («Խեցգետինը» 1054 թվականին գերնոր աստղի պայթյունի մնացորդն է, նշվում է արևելյան տարեգրության մեջ), Cassiopeia-A (այն դիտել է 1572 թվականին աստղագետ Տիխո Բրահեն) և Կեպլերի գերնոր աստղը։ Օֆիուչուս համաստեղությունը (1680 թ.): Նրանց թաղանթների տրամագիծն այսօր 5–10 լուսային տարի է (1 լուսային տարի = 10 16 մ), այսինքն՝ լայնանում են լույսի արագության մոտ 0,01 արագությամբ և գտնվում են մոտ տասը հազար լուսային տարի հեռավորության վրա։ Երկիր. Օպտիկական, ռադիո, ռենտգենյան և գամմա տիրույթում գտնվող գերնոր պարկերը («միգամածությունները») դիտարկվել են Չանդրա, Հաբլ և Սփիցեր տիեզերական աստղադիտարանների կողմից։ Նրանք հավաստիորեն ցույց տվեցին, որ էլեկտրոններն ու պրոտոնները իսկապես արագանում են թաղանթներում՝ ռենտգենյան ճառագայթների ուղեկցությամբ:

2000 տարեկանից փոքր գերնոր աստղերի մոտ 60 մնացորդներ կարող են միջաստեղային տարածությունը լցնել տիեզերական ճառագայթներով՝ չափված հատուկ էներգիայով (~ 1 ԷՎ սմ 3-ում), մինչդեռ հայտնի է դրանցից տասից քիչը: Այս պակասը բացատրվում է նրանով, որ Գալակտիկայի հարթությունում, որտեղ կենտրոնացած են աստղերն ու գերնոր աստղերը, շատ փոշի կա, որը լույս չի փոխանցում Երկրի վրա գտնվող դիտորդին։ Ռենտգենյան և գամմա ճառագայթման դիտարկումները, որոնց համար փոշու շերտը թափանցիկ է, հնարավորություն են տվել ընդլայնել դիտվող «երիտասարդ» գերնոր աստղերի պատյանների ցանկը։ Այս նոր հայտնաբերված խեցիներից վերջինը Supernova G1.9+0.3-ն էր, որը դիտվում էր Chandra ռենտգենյան աստղադիտակով 2008 թվականի հունվարից։ Նրա կեղևի չափի և ընդլայնման արագության գնահատումները ցույց են տալիս, որ այն բռնկվել է մոտ 140 տարի առաջ, բայց տեսանելի չէր օպտիկական տիրույթում Գալակտիկայի փոշու շերտի կողմից իր լույսի ամբողջական կլանման պատճառով:

Մեր Գալակտիկայում պայթող գերնոր աստղերի մասին տվյալներին Ծիր Կաթին, ավելացվել է շատ ավելի հարուստ վիճակագրություն այլ գալակտիկաների գերնոր աստղերի մասին։ Արագացված պրոտոնների և միջուկների առկայության ուղղակի հաստատումն է գամմա ճառագայթումը բարձր ֆոտոնային էներգիայով, որը առաջանում է չեզոք պիոնների քայքայման արդյունքում՝ պրոտոնների (և միջուկների) աղբյուրի նյութի հետ փոխազդեցության արտադրանք։ Ամենաբարձր էներգիաների նման ֆոտոնները դիտվում են աստղադիտակների օգնությամբ, որոնք գրանցում են EAS-ի երկրորդական մասնիկների արձակած Վավիլով-Չերենկովի փայլը։ Այս տեսակի ամենաառաջադեմ գործիքը Նամիբիայում HESS-ի հետ համատեղ կառուցված վեց աստղադիտակն է: Սկզբում չափվել է խեցգետնի գամմա ճառագայթումը, և դրա ինտենսիվությունը դարձել է ինտենսիվության չափիչ այլ աղբյուրների համար:

Ստացված արդյունքը ոչ միայն հաստատում է գերնոր աստղերում պրոտոնների և միջուկների արագացման մեխանիզմի առկայությունը, այլև հնարավորություն է տալիս գնահատել արագացված մասնիկների սպեկտրը՝ «երկրորդային» գամմա քվանտների և «առաջնային» պրոտոնների ու միջուկների սպեկտրը։ շատ մոտ են. Խեցգետնի մագնիսական դաշտը և դրա չափերը թույլ են տալիս պրոտոնների արագացումը մինչև 10 15 էՎ կարգի էներգիաներ: Տիեզերական ճառագայթների մասնիկների սպեկտրները աղբյուրում և միջաստղային միջավայրում փոքր-ինչ տարբեր են, քանի որ աղբյուրից մասնիկների ելքի հավանականությունը և Գալակտիկայի մասնիկների կյանքի տևողությունը կախված են մասնիկի էներգիայից և լիցքից: Երկրի մոտ չափված տիեզերական ճառագայթների էներգիայի սպեկտրի և կազմի համեմատությունը աղբյուրի սպեկտրի և բաղադրության հետ հնարավորություն տվեց հասկանալ, թե որքան երկար են մասնիկները ճանապարհորդում աստղերի միջև: Լիթիումի, բերիլիումի և բորի միջուկները Երկրի մոտ տիեզերական ճառագայթներում պարզվեց, որ շատ ավելի մեծ են, քան աղբյուրում. դրանց լրացուցիչ թիվը հայտնվում է միջաստեղային գազի հետ ավելի ծանր միջուկների փոխազդեցության արդյունքում: Չափելով այս տարբերությունը՝ մենք հաշվարկեցինք թիվը Xնյութը, որի միջով անցել են տիեզերական ճառագայթները՝ թափառելով միջաստղային միջավայրում։ Միջուկային ֆիզիկայում նյութի քանակությունը, որին հանդիպում է մասնիկը իր ճանապարհով, չափվում է գ/սմ2-ով։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ նյութի միջուկների հետ բախումների ժամանակ մասնիկների հոսքի նվազումը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է իմանալ մասնիկի բախումների թիվը միջուկների հետ, որոնք ունեն տարբեր տարածք (հատված) լայնակի: մասնիկի ուղղությունը։ Այս միավորներում նյութի քանակն արտահայտելով՝ բոլոր միջուկների համար ստացվում է մեկ չափման սանդղակ։

Փորձնականորեն հայտնաբերված արժեք X~ 5–10 գ/սմ2-ը հնարավորություն է տալիս գնահատել կյանքի տևողությունը տտիեզերական ճառագայթներ միջաստղային միջավայրում. տ ≈ X/ρ գ, որտեղ գ- մասնիկների արագությունը, մոտավորապես հավասար է լույսի արագությանը, ρ ~ 10 -24 գ/սմ 3 - միջաստղային միջավայրի միջին խտությունը: Այսպիսով, տիեզերական ճառագայթների կյանքի տևողությունը մոտ 10 8 տարի է: Այս ժամանակը շատ ավելի երկար է, քան արագությամբ շարժվող մասնիկի թռիչքի ժամանակը Հետուղիղ գծով աղբյուրից մինչև Երկիր (3 10 4 տարի մեզանից Գալակտիկայի հակառակ կողմի ամենահեռավոր աղբյուրների համար): Սա նշանակում է, որ մասնիկները չեն շարժվում ուղիղ գծով, այլ ցրված են։ Գալակտիկաների քաոսային մագնիսական դաշտերը V ~ 10–6 գաուսի (10–10 Տեսլա) ինդուկցիայով դրանք տեղափոխում են շառավղով շրջանով (գիրորադիուս) Ռ = Ե/3 × 10 4 B, որտեղ Ռմ–ում Ե- մասնիկների էներգիա eV-ում, V - մագնիսական դաշտի ինդուկցիա գաուսում: Չափավոր մասնիկների էներգիայի դեպքում Ե

Մոտավորապես ուղիղ գծով աղբյուրից կգան միայն էներգիա ունեցող մասնիկներ Ե> 10 19 էՎ. Հետևաբար, 10 19 էՎ-ից պակաս էներգիա ունեցող EAS-ստեղծ մասնիկների ուղղությունը չի նշում դրանց աղբյուրը։ Այս էներգիայի միջակայքում մնում է միայն դիտարկել երկրորդային ճառագայթումը, որն առաջանում է հենց աղբյուրներում պրոտոնների և տիեզերական ճառագայթների միջուկների կողմից: Դիտարկման համար հասանելի գամմա ճառագայթման էներգիաների տարածաշրջանում ( Ե

Տիեզերական ճառագայթների՝ որպես «տեղական» գալակտիկական երևույթի գաղափարը ճշմարիտ է պարզվել միայն չափավոր էներգիաների մասնիկների համար։ Ե

1958 թվականին Գեորգի Բորիսովիչ Խրիստիանսենը և Գերման Վիկտորովիչ Կուլիկովը հայտնաբերեցին տիեզերական ճառագայթների էներգիայի սպեկտրի ձևի կտրուկ փոփոխություն 3·10 15 էՎ կարգի էներգիայով։ Այս արժեքից ցածր էներգիաների դեպքում մասնիկների սպեկտրի վերաբերյալ փորձնական տվյալները սովորաբար ներկայացվում էին «ուժային» ձևով, այնպես որ մասնիկների թիվը. Նտրված էներգիայով E համարվել է, որ հակադարձ համեմատական ​​է մասնիկի էներգիային γ հզորությանը. Ն(Ե) = ա/Եγ (γ-ը սպեկտրի դիֆերենցիալ ինդեքսն է): Մինչև 3 10 15 eV էներգիան, γ ցուցիչը = 2,7, բայց ավելի բարձր էներգիաներ տեղափոխելիս էներգիայի սպեկտրը զգում է «կռում»՝ էներգիաների համար։ Ե> 3·10 15 eV γ-ը դառնում է 3,15: Բնական է սպեկտրի այս փոփոխությունը կապել արագացված մասնիկների էներգիայի մոտեցման հետ գերնոր աստղերի արագացման մեխանիզմի համար հաշվարկված առավելագույն հնարավոր արժեքին: Սպեկտրի ընդմիջման նման բացատրության օգտին է խոսում նաև առաջնային մասնիկների միջուկային կազմը 1015–1017 eV էներգիայի միջակայքում։ Դրա մասին ամենահուսալի տեղեկությունը տալիս են EAS-ի համալիր կայանքները՝ «MSU», «Tunka», «Tibet», «Cascade»։ Նրանց օգնությամբ ոչ միայն տեղեկատվություն է ստացվում առաջնային միջուկների էներգիայի մասին, այլև պարամետրեր, որոնք կախված են դրանց ատոմային թվերից՝ ցնցուղի «լայնությունը», էլեկտրոնների և մյուոնների քանակի հարաբերակցությունը, ամենաշատ թվերի միջև: էներգետիկ էլեկտրոնները և դրանց ընդհանուր թիվը: Այս բոլոր տվյալները ցույց են տալիս, որ առաջնային մասնիկների էներգիայի աճի դեպքում սպեկտրի ձախ սահմանից մինչև դրա ընդմիջումը մինչև ընդմիջումից հետո էներգիան, կա դրանց աճ: Միջին քաշը. Մասնիկների զանգվածային բաղադրության նման փոփոխությունը համապատասխանում է գերնոր աստղերի մասնիկների արագացման մոդելին. այն սահմանափակված է առավելագույն էներգիայով, որը կախված է մասնիկի լիցքից: Պրոտոնների համար այս առավելագույն էներգիան 3·10 15 էՎ կարգի է և աճում է արագացված մասնիկի (միջուկի) լիցքին համամասնորեն, այնպես որ երկաթի միջուկները արդյունավետորեն արագանում են մինչև ~10 17 էՎ։ Առավելագույնը գերազանցող էներգիայով մասնիկների հոսքերի ինտենսիվությունը արագորեն նվազում է:

Բայց նույնիսկ ավելի բարձր էներգիաների մասնիկների գրանցումը (~3·10 18 eV) ցույց տվեց, որ տիեզերական ճառագայթների սպեկտրը ոչ միայն չի կոտրվում, այլ վերադառնում է ընդմիջումից առաջ նկատված ձևին:

Էներգետիկ սպեկտրի չափումներ «գերբարձր» էներգիայի տարածաշրջանում ( Ե> 10 18 eV) շատ դժվար է նման մասնիկների փոքր քանակի պատճառով: Այս հազվագյուտ իրադարձությունները դիտարկելու համար անհրաժեշտ է ստեղծել EAS մասնիկների հոսքի դետեկտորների և Վավիլով-Չերենկովյան ճառագայթման և իոնացման ճառագայթման (մթնոլորտային ֆլուորեսցենտ) ցանց, որոնք առաջանում են մթնոլորտում հարյուրավոր և նույնիսկ հազարավոր քառակուսի կիլոմետր տարածքի վրա: Նման խոշոր, բարդ կայանքների համար ընտրվում են սահմանափակ տնտեսական ակտիվություն ունեցող տեղամասեր, սակայն հսկայական թվով դետեկտորների հուսալի շահագործում ապահովելու ունակությամբ: Նման կայանքները սկզբում կառուցվել են տասնյակ քառակուսի կիլոմետր տարածքների վրա (Յակուտսկ, Հավերա այգի, Ակենո), այնուհետև հարյուրավոր (AGASA, Fly's Eye, HiRes), և վերջապես, այժմ ստեղծվում են հազարավոր քառակուսի կիլոմետր տարածքներ (Pierre Auger Observatory in Արգենտինա, Հեռադիտակային հաստատություն Յուտա, ԱՄՆ):

Գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների ուսումնասիրության հաջորդ քայլը կլինի EAS-ների գրանցման մեթոդի մշակումը տիեզերքից մթնոլորտի ֆլուորեսցենտը դիտարկելու միջոցով: Մի քանի երկրների հետ համագործակցությամբ Ռուսաստանում ստեղծվում է EAS տիեզերական առաջին դետեկտորը՝ TUS նախագիծը։ Մեկ այլ նման դետեկտոր նախատեսվում է տեղադրել Միջազգայինում տիեզերակայան ISS (JEM-EUSO և KLPVE նախագծեր):

Ի՞նչ գիտենք այսօր գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների մասին: Ստորին նկարը ցույց է տալիս 10 18 էՎ-ից բարձր էներգիա ունեցող տիեզերական ճառագայթների էներգիայի սպեկտրը, որը ստացվել է վերջին սերնդի կայանքներից (HiRes, Pierre Auger աստղադիտարան) և ավելի ցածր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների վերաբերյալ տվյալները, որոնք, ինչպես ցույց է տրված վերևում, պատկանում են Ծիր Կաթին Գալակտիկա. Կարելի է տեսնել, որ 3 10 18 –3 10 19 էՎ էներգիաների դեպքում դիֆերենցիալ էներգիայի սպեկտրի ինդեքսը նվազել է մինչև 2,7–2,8 արժեք, ճիշտ նույնը, ինչ նկատվում է գալակտիկական տիեզերական ճառագայթների դեպքում, երբ մասնիկների էներգիան շատ ավելի քիչ է։ քան հնարավոր առավելագույնը գալակտիկական արագացուցիչների համար: Արդյո՞ք սա չի նշանակում, որ գերբարձր էներգիաների դեպքում մասնիկների հիմնական հոսքը ստեղծվում է արտագալակտիկական ծագման արագացուցիչներով, որոնց առավելագույն էներգիան շատ ավելի բարձր է, քան գալակտիկականը: Գալակտիկական տիեզերական ճառագայթների սպեկտրի ընդմիջումը ցույց է տալիս, որ արտագալակտիկական տիեզերական ճառագայթների ներդրումը կտրուկ փոխվում է 1014–1016 eV չափավոր էներգիաների տարածաշրջանից անցում կատարելիս, որտեղ այն մոտ 30 անգամ պակաս է, քան գալակտիկականների ներդրումը (սպեկտրը. Նկարում նշված կետավոր գծով), դեպի գերբարձր էներգիաների շրջան, որտեղ այն դառնում է գերիշխող:

Վերջին տասնամյակների ընթացքում բազմաթիվ աստղագիտական ​​տվյալներ են կուտակվել արտագալակտիկական օբյեկտների վերաբերյալ, որոնք ընդունակ են արագացնել լիցքավորված մասնիկները 10 19 էՎ-ից շատ ավելի բարձր էներգիաներ: ակնհայտ նշանոր օբյեկտը չափի է Դկարող է արագացնել մասնիկները դեպի էներգիա Ե, այս օբյեկտի վրա մագնիսական դաշտի B առկայությունն այնպիսին է, որ մասնիկի գիրոդիուսը փոքր է, քան Դ. Նման թեկնածու աղբյուրները ներառում են ռադիոգալակտիկաները (ուժեղ ռադիո արտանետումներ արձակողներ); ակտիվ գալակտիկաների միջուկներ, որոնք պարունակում են սև անցքեր; բախվող գալակտիկաներ. Դրանք բոլորն էլ պարունակում են գազի շիթեր (պլազմա), որոնք շարժվում են լույսի արագությանը մոտեցող հսկայական արագությամբ։ Նման շիթերը կատարում են արագացուցիչի աշխատանքի համար անհրաժեշտ հարվածային ալիքների դերը։ Տիեզերական ճառագայթների դիտվող ինտենսիվության մեջ դրանց ներդրումը գնահատելու համար անհրաժեշտ է հաշվի առնել աղբյուրների բաշխումը Երկրից հեռավորությունների վրա և միջգալակտիկական տարածությունում մասնիկների էներգիայի կորուստը: Մինչ ֆոնային տիեզերական ռադիոհաղորդումների հայտնաբերումը, միջգալակտիկական տարածությունը թվում էր «դատարկ» և թափանցիկ ոչ միայն էլեկտրամագնիսական ճառագայթման, այլև գերբարձր էներգիայի մասնիկների համար: Գազի խտությունը միջգալակտիկական տարածությունում, ըստ աստղագիտական ​​տվյալների, այնքան ցածր է (10–29 գ/սմ 3), որ նույնիսկ հարյուր միլիարդավոր լուսային տարվա (10 24 մ) հսկայական հեռավորությունների վրա մասնիկները չեն հանդիպում գազի միջուկներին։ ատոմներ. Այնուամենայնիվ, երբ պարզվեց, որ Տիեզերքը լցված է ցածր էներգիայի ֆոտոններով (մոտ 500 ֆոտոն/սմ 3 էներգիայով Ե f ~ 10 –3 eV) Մեծ պայթյունից մնացած, պարզ դարձավ, որ պրոտոններն ու միջուկները ավելի մեծ էներգիայով. Ե~5 10 19 eV, Գրեյզեն-Զացեպին-Կուզմին (GZK) սահմանը, պետք է փոխազդի ֆոտոնների հետ և ճանապարհին կորցնի ավելի քան տասնյակ միլիոն լուսային տարի: Օձեր էներգիայի մեծ մասը: Այսպիսով, Տիեզերքի ճնշող մեծամասնությունը, որը գտնվում է մեզանից ավելի քան 10 7 լուսատարի հեռավորության վրա, պարզվեց, որ անհասանելի է 5·10 19 էՎ-ից ավելի էներգիա ունեցող ճառագայթների դիտարկման համար: Գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների սպեկտրի վերաբերյալ վերջին փորձնական տվյալները (HiRes հաստատություն, Պիեռ Օգերի աստղադիտարան) հաստատում են Երկրից դիտվող մասնիկների համար էներգիայի այս սահմանի առկայությունը:

Ինչպես երևում է, չափազանց դժվար է ուսումնասիրել գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների ծագումը. ամենաբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների հնարավոր աղբյուրների մեծ մասը (GZK սահմանից բարձր) այնքան հեռու են, որ մասնիկներն իրենց ճանապարհին դեպի Երկիր: կորցնում է աղբյուրում ձեռք բերված էներգիան. Իսկ GZK սահմանից փոքր էներգիաների դեպքում՝ մասնիկների շեղումը մագնիսական դաշտըԴեռ շատ գալակտիկաներ կան, և մասնիկների ժամանման ուղղությունը դժվար թե կարողանա ցույց տալ աղբյուրի դիրքը երկնային ոլորտի վրա։

Գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների աղբյուրների որոնման ժամանակ մասնիկների ժամանման փորձարարորեն չափված ուղղության հարաբերակցության վերլուծությունը բավարար չափով բարձր էներգիաներ- այնպիսին, որ Գալակտիկայի դաշտերը փոքր-ինչ շեղում են մասնիկները ուղղությունից դեպի աղբյուր: Նախորդ սերնդի ինստալացիաները դեռևս համոզիչ տվյալներ չեն տրամադրել մասնիկների ժամանման ուղղության հարաբերակցության մասին աստղաֆիզիկական օբյեկտների որևէ հատուկ առանձնացված դասի կոորդինատների հետ: Պիեռ Օգերի աստղադիտարանի վերջին տվյալները կարելի է համարել որպես հույս՝ առաջիկա տարիներին AGN տիպի աղբյուրների ստեղծման գործում ունեցած դերի վերաբերյալ տվյալներ ստանալու համար։ ծանր հոսքեր GZK սահմանի էներգիայով մասնիկներ:

Հետաքրքիր է, որ AGASA-ի հաստատությունը ցուցումներ է տվել «դատարկ» ուղղությունների առկայության մասին (նրանք, որտեղ հայտնի աղբյուրներ չկան), որոնց երկայնքով երկու կամ նույնիսկ երեք մասնիկներ են հասնում դիտարկման ժամանակ: Դա առաջացրել է մեծ հետաքրքրությունտիեզերաբանությամբ զբաղվող ֆիզիկոսներից՝ տիեզերքի ծագման և զարգացման գիտություն, անքակտելիորեն կապված տարրական մասնիկների ֆիզիկայի հետ: Պարզվում է, որ միկրոաշխարհի կառուցվածքի և Տիեզերքի զարգացման որոշ մոդելներում (Մեծ պայթյունի տեսություն) 10 23 –10 կարգի զանգվածով գերզանգվածային տարրական մասնիկների պահպանումը. սկզբնաշրջանՄեծ պայթյուն. Նրանց բաշխվածությունը Տիեզերքում այնքան էլ պարզ չէ. դրանք կարող են կա՛մ հավասարաչափ բաշխվել տիեզերքում, կա՛մ «քաշվել» դեպի Տիեզերքի զանգվածային շրջաններ: Նրանց հիմնական առանձնահատկությունն այն է, որ այս մասնիկները անկայուն են և կարող են քայքայվել ավելի թեթև մասնիկների, այդ թվում՝ կայուն պրոտոնների, ֆոտոնների և նեյտրինոների, որոնք ձեռք են բերում հսկայական կինետիկ էներգիա՝ ավելի քան 10 20 էՎ: Այն վայրերը, որտեղ պահպանվում են այդպիսի մասնիկներ (Տիեզերքի տոպոլոգիական արատներ) կարող են լինել պրոտոնների, ֆոտոնների կամ գերբարձր էներգիայի նեյտրինոների աղբյուրներ։

Ինչպես գալակտիկական աղբյուրների դեպքում, գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների արտագալակտիկական արագացուցիչների առկայությունը հաստատվում է գամմա-ճառագայթների դետեկտորների տվյալներով, օրինակ՝ HESS օբյեկտի աստղադիտակներով, որոնք ուղղված են վերը թվարկված արտագալակտիկական օբյեկտներին՝ տիեզերական ճառագայթների թեկնածուներին։ աղբյուրները։

Դրանցից ամենահեռանկարայինը պարզվեց, որ գազային շիթերով ակտիվ գալակտիկաների (AGN) միջուկները։ HESS օբյեկտի ամենալավ ուսումնասիրված օբյեկտներից մեկը Կույս համաստեղության M87 գալակտիկան է՝ մեր Գալակտիկայից 50 միլիոն լուսատարի հեռավորության վրա: Նրա կենտրոնում գտնվում է սև խոռոչը, որն էներգիա է ապահովում իրեն մոտ տեղի ունեցող գործընթացների և, մասնավորապես, այս գալակտիկան պատկանող հսկա պլազմայի շիթերի համար։ Տիեզերական ճառագայթների արագացումը M87-ում ուղղակիորեն հաստատվում է նրա գամմա ճառագայթման դիտարկումներով, որոնց էներգիայի սպեկտրը 1–10 ՏէՎ (10 12–10 13 էՎ) էներգիայով, դիտվում է HESS-ում։ M87-ից գամմա ճառագայթման դիտվող ինտենսիվությունը կազմում է Խեցգետնի մոտ 3%-ը: Հաշվի առնելով այս օբյեկտների հեռավորության տարբերությունը (5000 անգամ), սա նշանակում է, որ M87-ի պայծառությունը 25 միլիոն անգամ գերազանցում է Խեցգետնի պայծառությանը:

Այս օբյեկտի համար ստեղծված մասնիկների արագացման մոդելները ցույց են տալիս, որ M87-ում արագացված մասնիկների ինտենսիվությունը կարող է այնքան բարձր լինել, որ նույնիսկ 50 միլիոն լուսատարի հեռավորության վրա, այս աղբյուրի ներդրումը կարող է ապահովել 10 19-ից բարձր էներգիա ունեցող տիեզերական ճառագայթների դիտված ինտենսիվությունը: eV.

Բայց ահա առեղծվածը. այս աղբյուրի ուղղությամբ EAS-ների վերաբերյալ ժամանակակից տվյալների մեջ 10 19 eV կարգի էներգիա ունեցող մասնիկների ավելցուկ չկա: Բայց արդյոք այս աղբյուրը չի՞ դրսևորվի ապագա տիեզերական փորձերի արդյունքներում, այնպիսի էներգիաների դեպքում, երբ հեռավոր աղբյուրներն այլևս չեն նպաստում դիտարկվող իրադարձություններին: Էներգետիկ սպեկտրի ընդմիջման հետ կապված իրավիճակը կարող է կրկնվել ևս մեկ անգամ, օրինակ՝ 2·10 20 էներգիայի դեպքում։ Բայց այս անգամ աղբյուրը պետք է տեսանելի լինի առաջնային մասնիկի հետագծի ուղղության չափումներում, քանի որ > 2·10 20 eV էներգիան այնքան բարձր է, որ մասնիկները չպետք է շեղվեն գալակտիկական մագնիսական դաշտերում:

Ինչպես տեսնում եք, տիեզերական ճառագայթների ուսումնասիրման հարյուրամյա պատմությունից հետո մենք կրկին սպասում ենք նոր բացահայտումների, այս անգամ գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթմանը, որի բնույթը դեռևս անհայտ է, բայց կարող է կարևոր դեր խաղալ Տիեզերքի կառուցվածքը.

Գրականություն:
1) Դոբրոտին Ն.Ա. տիեզերական ճառագայթներ. - Մ.: Էդ. ՀԽՍՀ ԳԱ, 1963 թ.
2) Մուրզին Վ.Ս. Տիեզերական ճառագայթների ֆիզիկայի ներածություն. - Մ.: Էդ. Մոսկվայի պետական ​​համալսարան, 1988 թ.
3) Փանասյուկ Մ.Ի. Տիեզերքի թափառողները կամ Մեծ պայթյունի արձագանքները. - Ֆրյազինո: «Vek2», 2005 թ.
4) Ռոսսի Բ. տիեզերական ճառագայթներ. - Մ.: Ատոմիզդատ, 1966:
5) Խրենով Բ.Ա. Հարաբերական երկնաքարեր// Գիտությունը Ռուսաստանում, 2001 թ., թիվ 4:
6) Խրենով Բ.Ա. եւ Փանասյուկ Մ.Ի. Տիեզերական սուրհանդակներ՝ հեռու, թե մոտ:// Բնություն, 2006, թիվ 2:
7) Խրենով Բ.Ա. եւ Կլիմով Պ.Ա. Բացումը սպասվում է// Բնություն, 2008, թիվ 4:

Նախորդ գլուխներում նկարագրված բոլոր դեպքերում խստորեն պահպանվել են պահպանության օրենքները: Երբ պարզվում էր, որ օրենքներից մեկը անկատար է, այն պետք է այլ կերպ մեկնաբանվեր։ Այսպիսով, զանգվածի պահպանման հին օրենքը ընդլայնվեց և վերածվեց էներգիայի պահպանման ավելի ընդհանուր օրենքի։ Մյուս կողմից, երբ ակնկալվող իրադարձությունները իրականում տեղի չեն ունեցել, նրանք եկել են նոր օրենքպահպանում (ինչպես եղավ բարիոնային թվերի պահպանման օրենքի դեպքում)։ Այնուամենայնիվ, միշտ չէ, որ հեշտ է ապացուցել, որ պահպանության օրենքները ճիշտ են: Հատկապես առեղծվածային իրավիճակ առաջացավ միջուկային ֆիզիկայի զարգացման արշալույսին ռադիոակտիվ նյութերից արտանետվող մասնիկների կինետիկ էներգիայի ուսումնասիրության ժամանակ։

?-մասնիկի էներգիան կարող է որոշվել նախնական ռադիոակտիվ միջուկի, ?-մասնիկի և վերջնական միջուկի զանգվածները չափելով։ ?-մասնիկի և վերջնական միջուկի ընդհանուր զանգվածը պետք է մի փոքր փոքր լինի սկզբնական միջուկի զանգվածից, իսկ բացակայող զանգվածի էներգիայի համարժեքը պետք է հավասար լինի ?-մասնիկի կինետիկ էներգիային: Ֆիզիկոսները կարողացան մեծ ճշգրտությամբ չափել տարբեր միջուկների և այլ մասնիկների զանգվածները միայն մեր դարի 20-ական թվականներին։ Այնուամենայնիվ, նրանք որոշ կարևոր եզրակացություններ արեցին մասնիկների էներգիաների մասին՝ առանց զանգվածների ճշգրիտ արժեքը իմանալու։

Դիտարկենք թորիում-232-ը, որը քայքայվում է բ-մասնիկի (հելիում-4) և ռադիում-228-ի: Թորիում-232 բոլոր միջուկներն ունեն նույն զանգվածը։ Բոլոր ռադիում-228 միջուկների զանգվածները նույնպես ունեն նույն արժեքը, ինչպես բոլոր ?-մասնիկների զանգվածները: Առանց այդ զանգվածների մեծությունն իմանալու, դեռևս կարելի է ասել, որ ամեն անգամ, երբ թորիում-232 ատոմն արտանետում է բ-մասնիկ, զանգվածի դեֆիցիտը պետք է լինի նույնը, և, հետևաբար, պետք է լինի նաև?-մասնիկների կինետիկ էներգիան։ նույնը. Այսինքն՝ թորիում-232-ը պետք է նույն էներգիայով մասնիկներ արձակի։

Ինչպե՞ս որոշել մասնիկների կինետիկ էներգիան: Հայտնի է, որ որքան մեծ է մի մասնիկի էներգիան, այնքան ավելի խորն է այն ներթափանցում նյութի մեջ։ ?-Մասնիկները շատ դանդաղում են բարակ շերտպինդ նյութ, բայց կարող է անցնել մի քանի սանտիմետր հաստությամբ օդային շերտով։ Այս դեպքում ?-մասնիկները անընդհատ էներգիա են փոխանցում օդի մոլեկուլներին, որոնց հետ բախվում են, աստիճանաբար դանդաղում են և, գրավելով էլեկտրոնները, ի վերջո դառնում են սովորական հելիումի ատոմներ։ Այս վիճակում դրանք այլևս չեն կարող հայտնաբերվել այն մեթոդներով, որոնցով հայտնաբերվում են ?-մասնիկներ, այնպես որ իրականում դրանք անհետանում են:

Կարո՞ղ եք հայտնաբերել մասնիկները ֆիլմի միջոցով քիմիական միացությունկոչվում է ցինկի սուլֆիդ: Ամեն անգամ, երբ ?-մասնիկը հարվածում է նման թաղանթին, այն արտադրում է լույսի թույլ շող: Եթե ​​մասնիկների աղբյուրի կողքին (ասենք, թորիում-232-ի մի կտոր կապարի տարայի մեջ՝ շատ նեղ բացվածքով) ցինտիլացիոն հաշվիչ,ապա փայլատակումների թիվը կհամապատասխանի գոյացած?-մասնիկների թվին։ Եթե ​​ցինտիլացիոն հաշվիչը տեղադրվի աղբյուրից ավելի ու ավելի հեռու, α-մասնիկները պետք է ավելի ու ավելի շատ օդի միջով անցնեն դրա մեջ մտնելու համար: Եթե ​​?-մասնիկներն արտանետվեին տարբեր էներգիաներով, ապա ամենացածր էներգիա ունեցողները շատ արագ կվերանային, ավելի «էներգետիկ» ?-մասնիկները ավելի երկար ճանապարհ կանցնեին օդում և այլն: Արդյունքում, երբ ցինտիլացիոն հաշվիչը հեռանում է Աղբյուրը, հաշվիչ ընկնողների թիվը աստիճանաբար պետք է նվազի։ Եթե ​​?-մասնիկներն արտանետվեին նույն էներգիայով, ապա նրանք բոլորը կանցնեին նույն ճանապարհը օդի միջով: Հետևաբար, ցինտիլացիոն հաշվիչը պետք է գրանցի նույն թվով մասնիկներ, երբ հեռանում է աղբյուրից, մինչև որոշակի կրիտիկական կետ, որից այն կողմ նա չի գրանցի մեկ բռնկում:

Այս երեւույթը դիտել է անգլիացի ֆիզիկոս Ուիլյամ Հենրի Բրեգը 1904 թվականին։ Միևնույն տարրի միջուկներից արտանետվող գրեթե բոլոր մասնիկներն ունեին նույն էներգիան և ունեին նույն թափանցող ուժը։ Թորիում-232-ի բոլոր մասնիկները անցել են 2,8 հաստությամբ օդի շերտով սմ,բոլորը -Ռադիումի մասնիկներ-226- 3.3 սմ, a?-պոլոնիում-212-ի մասնիկներ - 8.6 սմ. Իրականում կան որոշ շեղումներ։ 1929 թվականին պարզվեց, որ նույն ռադիոակտիվ միջուկի մասնիկների փոքր մասը կարող է ունենալ անսովոր մեծ կինետիկ էներգիաև ավելի թափանցող ուժ, քան մյուսները: Դրա պատճառն այն է, որ սկզբնական ռադիոակտիվ միջուկը կարող է լինել մեկում հուզված վիճակներ.Գրգռված վիճակներում միջուկներն ավելի շատ էներգիա ունեն, քան իրենց նորմալ վիճակում։ հիմնական պայման.Երբ միջուկը արձակում է ?-մասնիկ, լինելով գրգռված վիճակում, ?-մասնիկը ստանում է հավելյալ էներգիա։ Արդյունքում, բացի ?-մասնիկների հիմնական խմբից, ձևավորվում են ?-մասնիկների ավելի մեծ թափանցող հզորությամբ փոքր խմբեր՝ մեկական խումբ յուրաքանչյուր գրգռված վիճակի համար։

Երբ ռադիոակտիվ միջուկը ձևավորվում է մեկ այլ միջուկի քայքայման արդյունքում, այն երբեմն գրգռված վիճակում է իր ձևավորման պահից: Այնուհետև նրա կողմից արտանետվող ?-մասնիկների մեծ մասն ունեն անսովոր բարձր էներգիա, իսկ ավելի ցածր էներգիա ունեցող ?-մասնիկները կազմում են փոքր խմբեր: Տարբեր էներգիա ունեցող մասնիկների այս առանձին խմբերը (2-ից 13-ը) ձևավորվում են միջակայք?- այս միջուկի մասնիկները. Սպեկտրի յուրաքանչյուր բաղադրիչ, ինչպես և սպասվում էր, համապատասխանում է միջուկի գրգռված վիճակներից մեկին: Այսպիսով, կատարվում է?-մասնիկների էներգիայի պահպանման օրենքը, ինչը չի կարելի ասել?-մասնիկների դեպքում։

Էներգիա - մասնիկներ

Եթե ​​?-մասնիկների համար արված բոլոր եզրակացությունները կիրառելի լինեին ?-մասնիկների համար, և դիտարկված էներգետիկ հարաբերությունները բավարարվեին, ապա միջուկների քայքայման ժամանակ ձևավորված բոլոր բ-մասնիկները կունենան նույն կինետիկ էներգիան: Այնուամենայնիվ, արդեն 1900 թվականին տպավորություն էր ստեղծվել, որ ?-մասնիկներն արտանետվում են ցանկացած էներգիայով մինչև որոշակի առավելագույն արժեք։ Հաջորդ տասնհինգ տարիների ընթացքում ապացույցները աստիճանաբար կուտակվեցին, մինչև որ բացարձակապես պարզ դարձավ, որ մասնիկների էներգիաները կազմում են շարունակական սպեկտր:

Յուրաքանչյուր միջուկ, որն արտանետվում է քայքայման գործընթացում: -մասնիկ, կորցնում է որոշակի քանակությամբզանգվածները. Զանգվածի կրճատումը պետք է համապատասխանի ?-մասնիկի կինետիկ էներգիային։ Այս դեպքում մեզ հայտնի ռադիոակտիվ միջուկներից որևէ մեկի a?-մասնիկի կինետիկ էներգիան չի գերազանցում զանգվածի նվազմանը համարժեք էներգիան։ Այսպիսով, ցանկացած ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ զանգվածի նվազումը համապատասխանում է այս քայքայման գործընթացում առաջացած ?-մասնիկների կինետիկ էներգիայի առավելագույն արժեքին։

Բայց, համաձայն էներգիայի պահպանման օրենքի, ?-մասնիկներից և ոչ մեկը չպետք է ունենա զանգվածի նվազմանը համարժեք էներգիայի կինետիկ էներգիա, այսինքն՝ ?-մասնիկի առավելագույն կինետիկ էներգիան պետք է լինի միաժամանակ նվազագույն: Իրականում դա այդպես չէ։ Շատ հաճախ?- մասնիկներն արտանետվում են ավելի ցածր կինետիկ էներգիայով, քան պետք է սպասել, և առավելագույն արժեք, որը համապատասխանում է օրենքին:

էներգիայի պահպանում, հազիվ թե հասնում է նույնիսկ մեկ մասնիկի։ Որոշ մասնիկներ կինետիկ էներգիա ունեն առավելագույն արժեքից մի փոքր պակաս, մյուսները՝ շատ ավելի քիչ, մնացածները՝ շատ ավելի քիչ: Կինետիկ էներգիայի ամենատարածված արժեքը առավելագույն արժեքի մեկ երրորդն է: Ընդհանուր առմամբ, էներգիայի կեսից ավելին, որը պետք է առաջանա ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ զանգվածի նվազման պատճառով, որը ուղեկցվում է բ–մասնիկների ձևավորմամբ, չի կարող հայտնաբերվել։

20-ականներին շատ ֆիզիկոսներ արդեն հակված էին հրաժարվել էներգիայի պահպանման օրենքից, համենայն դեպս այն գործընթացների համար, որոնցում ձևավորվում են ?-մասնիկներ: Հեռանկարը մտահոգիչ էր, քանի որ օրենքը ճիշտ էր բոլոր մյուս դեպքերում: Բայց կա՞ այս երեւույթի այլ բացատրություն։

1931 թվականին Վոլֆգանգ Պաուլին առաջարկեց հետևյալ վարկածը. ?-մասնիկը չի ստանում ամբողջ էներգիան այն պատճառով, որ ձևավորվում է երկրորդ մասնիկը, որը տանում է մնացած էներգիան։ Էներգիան կարող է բաշխվել երկու մասնիկների միջև ցանկացած համամասնությամբ: Որոշ դեպքերում գրեթե ամբողջ էներգիան փոխանցվում է էլեկտրոնին, այնուհետև այն ունենում է գրեթե առավելագույն կինետիկ էներգիա, որը համարժեք է զանգվածի նվազմանը։

Երբեմն գրեթե ամբողջ էներգիան փոխանցվում է երկրորդ մասնիկին, ապա էլեկտրոնի էներգիան իրականում զրո է։ Երբ էներգիան ավելի հավասարաչափ է բաշխվում երկու մասնիկների միջև, էլեկտրոնն ունի կինետիկ էներգիայի միջանկյալ արժեքներ:

Ո՞ր մասնիկն է բավարարում Պաուլիի ենթադրությունը։ Հիշենք, որ մասնիկները առաջանում են, երբ միջուկի ներսում նեյտրոնը վերածվում է պրոտոնի: Նեյտրոնի փոխակերպումը պրոտոնի դիտարկելիս, անկասկած, ավելի հեշտ է գործ ունենալ ազատ նեյտրոնի հետ: Նեյտրոնը չէր հայտնաբերվել, երբ Պաուլին առաջին անգամ առաջարկեց իր տեսությունը: Մենք կարող ենք օգտվել հետադարձ հայացքից:

Երբ ազատ նեյտրոնը քայքայվում է պրոտոնի և էլեկտրոնի, վերջինս դուրս է թռչում ցանկացած կինետիկ էներգիայով մինչև առավելագույնը, որը մոտավորապես հավասար է 0,78-ի: mev. Իրավիճակը նման է ռադիոակտիվ միջուկի? -մասնիկների արտանետմանը, հետևաբար, ազատ նեյտրոնի քայքայումը դիտարկելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել Պաուլիի մասնիկը:

Նշեք Պաուլի մասնիկը Xև փորձիր պարզել դրա հատկությունները: Գրենք նեյտրոնների քայքայման ռեակցիան.

Պ> p++ էլ -+ X.

Եթե ​​նեյտրոնի քայքայման ժամանակ բավարարվում է էլեկտրական լիցքի պահպանման օրենքը, X- մասնիկը պետք է չեզոք լինի: Իսկապես, 0=1–1+0։ Երբ նեյտրոնը քայքայվում է պրոտոնի և էլեկտրոնի, զանգվածի կորուստը ատոմային զանգվածի մասշտաբով կազմում է 0,00029 միավոր, որը մոտավորապես հավասար է էլեկտրոնի զանգվածի կեսին։ Եթե x- մասնիկը ստացել է նույնիսկ զանգվածի անհետացման արդյունքում գոյացած ողջ էներգիան, և եթե ամբողջ էներգիան գնում է զանգվածի ձևավորման մեջ, ապա զանգվածը Xկլիներ էլեկտրոնի զանգվածի միայն կեսը։ Հետևաբար, x- մասնիկը պետք է լինի ավելի թեթև, քան էլեկտրոնը: Իրականում, այն պետք է շատ ավելի թեթև լինի, քանի որ սովորաբար էլեկտրոնը ստանում է թողարկված էներգիայի մեծ մասը, իսկ երբեմն էլ գրեթե ամբողջը: Ավելին, քիչ հավանական է, որ էներգիան փոխանցվի X-մասնիկ, ամբողջությամբ վերածվում է զանգվածի; դրա մեծ մասը վերածվում է կինետիկ էներգիայի X- մասնիկներ. Տարիների ընթացքում քաշի գնահատում X- մասնիկները գնալով պակասում էին: Վերջապես պարզ դարձավ, որ X-Մասնիկը, ինչպես ֆոտոնը, չունի զանգված, այսինքն, ինչպես ֆոտոնը, այն լույսի արագությամբ է տարածվում իր առաջացման պահից: Եթե ​​ֆոտոնի էներգիան կախված է ալիքի երկարությունից, էներգիան X-մասնիկները կախված են նմանատիպ մի բանից:

Ուստի Պաուլիի մասնիկը չունի ոչ զանգված, ոչ լիցք, և պարզ է դառնում, թե ինչու է այն մնում «անտեսանելի»։ Լիցքավորված մասնիկները սովորաբար հայտնաբերվում են իրենց ձևավորված իոնների միջոցով: Չլիցքավորված նեյտրոնը հայտնաբերվել է իր մեծ զանգվածի շնորհիվ։ Առանց զանգվածի և լիցքի մասնիկը շփոթեցնում է ֆիզիկոսին և զրկում նրան բռնելու և ուսումնասիրելու ցանկացած հնարավորությունից։

Կարճ ժամանակ անց Պաուլին առաջարկեց գոյությունը X-մասնիկներ, նա անուն է ստացել: Սկզբում նրանք ցանկանում էին այն անվանել «նեյտրոն», քանի որ այն լիցքավորված չէ, բայց Պաուլիի վարկածի հայտնվելուց մեկ տարի անց Չադվիկը հայտնաբերեց ծանր չլիցքավորված մասնիկ, որն ստացավ այս անվանումը։ Իտալացի ֆիզիկոս Էնրիկո Ֆերմին, նկատի ունենալով, որ X- մասնիկը շատ ավելի թեթև է, քան Չեդվիքի նեյտրոնը, առաջարկվեց անվանել x-մասնիկը նեյտրինո,որը ռուսերեն նշանակում է «փոքր, չեզոք բան»։ Առաջարկը շատ հաջող էր, և այդ ժամանակվանից այն կոչվում է այդպես։ Նեյտրինոները սովորաբար նշվում են Հունարեն նամակ? «մերկ» ) իսկ նեյտրոնային քայքայումը գրված է հետևյալ կերպ.

Պ> p++ էլ -+ ?..

Նեյտրինոն կարևոր է

Նեյտրինոյի գոյության մասին Պաուլիի վարկածը և Ֆերմիի կողմից ստեղծված նեյտրինոյի արտադրության հետագա մանրամասն տեսությունը ֆիզիկոսները տարբեր կերպ ընդունեցին։ Ոչ ոք չէր ցանկանում հրաժարվել էներգիայի պահպանման օրենքից, թեև լուրջ կասկածներ կային այս օրենքը առանց զանգվածի և լիցքի մասնիկով փրկելու անհրաժեշտության մասին, մի մասնիկ, որը հնարավոր չէ հայտնաբերել, մի մասնիկ, որի գոյության միակ պատճառն էր. պարզապես էներգիայի պահպանման օրենքը խնայելու ցանկություն: Որոշ ֆիզիկոսներ դա համարում էին ուրվական մասնիկ, էներգիայի «հաշվապահություն» խնայելու մի տեսակ հնարք։ Իրականում նեյտրինոյի հասկացությունը պարզապես միջոց էր ասելու, որ «էներգիայի պահպանման օրենքը չի գործում»։ Էներգիայի պահպանման օրենքը միակը չէր, որ փրկեցին նեյտրինոները։

Դիտարկենք անշարժ նեյտրոն, այսինքն՝ դիտորդի նկատմամբ զրոյական իմպուլս ունեցող նեյտրոն: Նրա քայքայման ժամանակ պրոտոնի և էլեկտրոնի ընդհանուր իմպուլսը պետք է հավասար լինի զրոյի, եթե քայքայումն ուղեկցվում է միայն երկու մասնիկի ձևավորմամբ։ Էլեկտրոնը պետք է դուրս թռչի մեկ ուղղությամբ, իսկ պրոտոնը՝ ճիշտ հակառակ ուղղությամբ (բայց ավելի դանդաղ արագությամբ, քանի որ նրա զանգվածն ավելի մեծ է) ).

Այնուամենայնիվ, դա այդպես չէ: Էլեկտրոնն ու պրոտոնը արտանետվում են որոշակի անկյուն կազմող ուղղություններով։ Փոքր ընդհանուր իմպուլսը մասնիկների փախուստի ուղղությամբ հայտնվում է կարծես ոչնչից, և խախտվում է իմպուլսի պահպանման օրենքը։ Այնուամենայնիվ, եթե այս դեպքում նեյտրինոն արտադրվի, այն կարող է դուրս թռչել այնպիսի ուղղությամբ, որ ճշգրտորեն փոխհատուցի մյուս երկու մասնիկների ընդհանուր իմպուլսը (նկ. 6):

Այսինքն՝ իմպուլսի պահպանման օրենքը կատարվում է միայն նեյտրինոյի շնորհիվ։

Բրինձ. 6. Նեյտրոնների քայքայումը.

Հեշտ է տեսնել, որ իրավիճակը նման է անկյունային իմպուլսի հետ կապված։ Նեյտրոնը, պրոտոնը և էլեկտրոնը ունեն +1/2 կամ -1/2 սպին։ Ենթադրենք, որ նեյտրոնային սպինը +1/2 է։ Նրա քայքայման ժամանակ պրոտոնի և էլեկտրոնի ընդհանուր սպինը պետք է հավասար լինի +1/2-ի, եթե գործում է անկյունային իմպուլսի պահպանման օրենքը և քայքայման ժամանակ առաջանում են միայն այս երկու մասնիկները։ Դա հնարավոր է? Պրոտոնի և էլեկտրոնի սպինները կարող են հավասար լինել +1/2 և +1/2; +1/2 և -1/2; -1/2 և -1/2, այսինքն՝ երկու մասնիկների ընդհանուր սպինը համապատասխանաբար +1, 0 և -1 է: Այն չէ և երբեք չի կարող լինել +1/2 կամ -1/2, եթե նեյտրոնի պտույտը սկզբում եղել է -1/2: Մի խոսքով, եթե նեյտրոնը քայքայվում է միայն պրոտոնի և էլեկտրոնի, ապա խախտվում է անկյունային իմպուլսի պահպանման օրենքը։

Բայց ենթադրենք, որ քայքայումից առաջանում է +1/2 կամ -1/2 պտույտ ունեցող նեյտրինո։ Այնուհետև քայքայման ժամանակ ձևավորված երեք մասնիկների ընդհանուր սպինը միշտ հավասար կլինի սկզբնական նեյտրոնի սպինին։ Հետևաբար, նեյտրինոների գոյությունը «փրկում է» առնվազն երեք օրենք՝ էներգիայի պահպանման օրենքը, իմպուլսը և անկյունային իմպուլսը։ Հատկանշական է, որ նույն մասնիկը եռակի աշխատանք է կատարում։

Դժվար է ասել, թե որն էր ավելի վատ՝ խոստովանել մեկ առեղծվածային, ուրվական մասնիկի առկայությունը, թե՞ պահպանության մեկ օրենքի խախտում։ Շատ ավելի հեշտ է ընտրություն կատարել ուրվական մասնիկի և պահպանման երեք օրենքների խախտման միջև։ Ֆիզիկոսները պետք է ընտրեին ուրվական մասնիկ. Աստիճանաբար նեյտրինոների գոյությունը ճանաչվեց միջուկային գիտնականների կողմից: Նրանք դադարել են կասկածել նեյտրինոյի իրականության վրա՝ արդյոք նրանք կարող էին հայտնաբերել այն, թե ոչ:

Լեպտոնի թվի պահպանում

Նեյտրինոն ոչ միայն պահպանում է պահպանման երեք օրենք, այլ նաև ստեղծում է մեկ նոր օրենք: Հասկանալու համար, թե ինչպես է դա տեղի ունենում, հաշվի առեք նեյտրինոները հակամասնիկների հետ կապված:

Հականեյտրոնը քայքայվում է հակապրոտոնի և պոզիտրոնի (հակաէլեկտրոն): Իրավիճակը նման է նեյտրոնի քայքայմանը։ Պոզիտրոնը դուրս է թռչում ավելի քիչ կինետիկ էներգիայով, քան պետք է, պոզիտրոնը և հակապրոտոնը միմյանց հակառակ ուղղություններով չեն թռչում, և նրանց պտույտները պատշաճ կերպով չեն հավաքվում: Նեյտրինոների ավելացումը այս դեպքում նույնպես կհավասարակշռի ամեն ինչ։

Բնականաբար, հարց է առաջանում՝ արդյոք նույն նեյտրինոն առաջանում է հականեյտրոնի քայքայման և նեյտրոնի քայքայման ժամանակ։

Հեշտ է ապացուցել, որ նեյտրինոները տարբեր են։ Նեյտրինոն, որն ունի սպին, ինչպես նեյտրոնը, ստեղծում է մագնիսական դաշտ, որն ունի երկու տարբեր ուղղություններ: Հետևաբար, նեյտրինոն և հականեյտրինոն գոյություն ունեն ճիշտ նույն ձևով, ինչ նեյտրոնն ու հականեյտրինոն: Երբ նեյտրոնը քայքայվում է, հայտնվում է նեյտրինային երկվորյակներից մեկը, իսկ երբ հականեյտրոնը քայքայվում է, մյուսը։ Բայց դրանցից ո՞րն է ուղեկցում այս քայքայմանը։

Ես արդեն նկարագրել եմ բարիոնների թվի պահպանման օրենքը, որն ասում է, որ փակ համակարգի բարիոնների ընդհանուր թիվը մնում է հաստատուն: Նմանատիպ կա Լեպտոնի թվերի պահպանման օրենքը,ըստ որի փակ համակարգի լեպտոնների ընդհանուր թիվը մնում է անփոփոխ:Ինչո՞ւ չպետք է լեպտոններից պահանջենք նույնը, ինչ բարիոններից: Ցավոք, եթե նեյտրինոն ներառված չէ քննարկման մեջ, ապա դա հնարավոր չէ անել:

Մենք վերագրում ենք էլեկտրոնին լեպտոնի համարը+1, իսկ պոզիտրոնը կամ հակաէլեկտրոնը՝ լեպտոնային թիվը՝ -1։ Ֆոտոնը, որն իր սեփական հակամասնիկն է, չի կարող ունենալ +1 կամ -1 լեպտոնային թիվ, և տրամաբանական կլինի նրան վերագրել զրոյական լեպտոնային թիվ։ Բոլոր բարիոններն ունեն նաև զրոյական լեպտոնային թվեր։

Եկեք նորից վերադառնանք նեյտրոնի քայքայմանը։ Սկսենք մեկ նեյտրոնից, որն ունի բարիոնային թիվ 1 և զրո լեպտոնային թիվ։ Ենթադրենք, որ նեյտրոնի քայքայումից առաջանում են միայն պրոտոն և էլեկտրոն: Պրոտոնը և էլեկտրոնը պետք է ունենան բարիոնների ընդհանուր թիվը 1, իսկ լեպտոնների ընդհանուր թիվը 0, եթե այս երկու թվերն էլ պահպանված են: Իրոք, երկու մասնիկների բարիոնային թվերի գումարը +1 է (այսինքն՝ 1 + 0)՝ բարիոնային թվի պահպանման օրենքի համաձայն։ Պրոտոնի և էլեկտրոնի ընդհանուր լեպտոնային թիվը նույնպես +1 է (այսինքն՝ 1 + 0), չնայած ռեակցիայի սկզբում լեպտոնների թիվը զրո էր։ Հետևաբար, լեպտոնների թիվը պահպանված չէ։

Ենթադրենք, որ նեյտրինոները և հականեյտրինոները, համապատասխանաբար + 1 և -1 լեպտոնային թվերով, պատկանում են լեպտոններին։ Այնուհետև, երբ նեյտրոնը քայքայվում է պրոտոնի, էլեկտրոնի և հականեյտրինոյի, լեպտոնի թիվը պահպանվում է (0 + 1–1 = 0), և քայքայումը կարելի է գրել հետևյալ կերպ.

Պ> p++ էլ -+ "?,

որտեղ «? - հականեյտրինո.

Երբ զրոյական լեպտոնային թվով հականեյտրոնը քայքայվում է, առաջանում են հակապրոտոն, պոզիտրոն և նեյտրինո։ Ձևավորված երեք մասնիկների լեպտոնային թվերը համապատասխանաբար 0, -1 և +1 են, և դրանց գումարը զրո է.

«Պ> "R -+ "e++ ?.

Ազատ վիճակում նեյտրոններն ու հականեյտրոնները քայքայվում են պրոտոնների և հակապրոտոնների, հակառակ իրավիճակը տեղի չի ունենում։ Այնուամենայնիվ, միջուկների ներսում պրոտոնները երբեմն ինքնաբերաբար վերածվում են նեյտրոնների (օրինակ՝ ֆոսֆոր-30-ի դեպքում)։ Նմանապես, հակամատերիայում հակապրոտոնները վերածվում են հականեյտրոնների։

Երբ պրոտոնը վերածվում է նեյտրոնի, ձևավորվում են պոզիտրոն և նեյտրինոն.

p + > n + "e + + ?.

Երբ հակապրոտոնը վերածվում է հականեյտրոնի, ձևավորվում են էլեկտրոն և հականեյտրինոն.

«p - >» n + e - + ?.

Երկու դեպքում էլ լեպտոնային թիվը պահպանվում է։ Ամփոփելով՝ կարող ենք ասել, որ երբ էլեկտրոն է արտանետվում, պետք է հայտնվի հականեյտրինոն, իսկ երբ պոզիտրոն է արտանետվում՝ նեյտրինոն, որպեսզի քայքայման վերջում լեպտոնի թիվը հավասար լինի զրոյի։

Եթե ​​հաշվի առնվեն նեյտրինոները և հականեյտրինոները, ապա լեպտոնային թիվը պահպանվում է բոլոր ուսումնասիրված ենթաատոմային գործընթացներում։ Այսպիսով, նեյտրինոների և հականեյտրինոների գոյությունը ոչ միայն փրկեց էներգիայի, իմպուլսի և անկյունային իմպուլսի պահպանման օրենքները, այլև հնարավոր դարձրեց հաստատել լեպտոնի թվի պահպանման օրենքը։ Ուստի ֆիզիկոսների համար շատ դժվար էր չճանաչել այդ մասնիկների գոյությունը։

Նշումներ:

Որքան մեծ է տվյալ միջուկի?-մասնիկների ներթափանցման ուժը, այնքան մեծ է զանգվածի դեֆիցիտը ռադիոակտիվ քայքայման գործընթացում և ավելի հավանական էայս քայքայումը, այսինքն՝ որքան մեծ է մասնիկների թափանցող ուժը, այնքան ավելի քիչ ժամկետմիջուկի կիսամյակը: Եթե ​​թորիում-232-ի կես կյանքը 14 միլիարդ տարի է, ապա ռադիում-226-ի կես կյանքը 1620 տարի է, իսկ պոլոնիում-212-ը՝ վայրկյանի երեք տասը միլիոներորդականը:

Իսկապես, եթե գրքի հենց սկզբում ես գայթակղվեի ներկայացնել նեյտրինո հասկացությունը, ապա դժվար կլիներ ապացուցել, որ նեյտրինոնները գիտական ​​միստիկայի պտուղ չեն: Այնուամենայնիվ, քանի որ գրքի առաջին կեսում ընդգծվում է պահպանման օրենքների նշանակությունն ու կարևորությունը, այժմ կարելի է ցույց տալ, որ նեյտրինոն, չնայած իր բոլոր տարօրինակ հատկություններին, իրական և բացարձակապես անհրաժեշտ մասնիկ է: