Popularnonaukowe

O mój Boże, to Amaterasu!

W Ziemię trafił niedawno miniaturowy pocisk, rozpędzony do 99,99999999999999999999% prędkości światła. Nie znamy pochodzenia tego fenomenu, ale wiemy, że tak energetycznej cząstki nie zarejestrowano od przynajmniej trzydziestu lat.

byAdam Adamczyk

10/12/2023

6 minute read

9 komentarzy

W połowie października 1991 roku detektor promieniowania kosmicznego High Resolution Fly’s Eye w stanie Utah zarejestrował cząstkę, która pobiła wszelkie rekordy. Osamotniony proton nieznanego pochodzenia wpadł w ziemską atmosferę z energią co najmniej 20 milionów razy większą od energii, jaką noszą cząstki rozkwaszane w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów. Zdarzenie szybko stało się medialne i podobnie do tajemniczego Sygnału Wow! z 1977 roku, doczekało się równie chwytliwej nazwy: Oh-My-God particle, czyli cząstki O-Mój-Boże (broń Bohrze nie mylić z Ledermanową boską cząstką!).

Niekończące się dziewiątki

W publicystyce bardzo często piszemy, że coś zbliżyło się do prędkości światła w próżni (oznaczanej małą literką c). Jednak nie wszyscy zdają sobie sprawę, jak pojemne jest to pojęcie. Możemy przecież opisać w ten sposób zarówno obiekt rozpędzony do 99% c, jak i 99,98% c, ale także 99,9999999999999999% c. Wbrew pozorom, te dziesiąte, setne, a nawet miliardowe części procenta mają z punktu widzenia fizyków kolosalne znaczenie.

Nawet jeżeli nie jesteście, drodzy czytelnicy, jakoś specjalnie obyci z fizyką wysokich energii, to i tak prawdopodobnie słyszeliście o zakazie przekraczania prędkości światła. Konstruując swoją szczególną teorię względności, Albert Einstein orzekł, że nic co ma masę – nawet tak mikroskopijną jak pojedyncza molekuła, atom czy proton – nie ma prawa przekroczyć, ani nawet osiągnąć bariery 299 792 km/s. Możemy gonić tego relatywistycznego króliczka, ale nigdy go nie złapiemy.

Najwięcej na ten temat mogą powiedzieć naukowcy obsługujący akceleratory cząstek elementarnych. Niedziałający już amerykański Tevatron rozpędzał cząstki do 99,99995% prędkości światła, podczas gdy nowszy, większy i droższy LHC wyśrubował ten wynik do 99,9999991%. Oczywiście CERN nie wydał ponad 4 miliardów euro na nowy zderzacz, żeby cząstki śmigały o ułamek ułamka procenta szybciej, lecz po to, aby zwiększyć energię zderzeń. Rzecz polega na tym, że im bardziej usiłujemy zbliżyć się do nieosiągalnej prędkości światła, tym mocniej musimy popychać ciało, żeby jeszcze, choć odrobinę je przyśpieszyć. Mimo więc, że protony pod Genewą pędzą tylko minimalnie szybciej od tych w Tevatronie, ich energia okazuje się w praktyce aż siedmiokrotnie większa.

Protony w LHC — Protony okrążają 27-kilometrowy tor LHC 11 tysięcy razy na sekundę, żeby zakończyć swoje istnienie w kwantowej kraksie.

Tryliony elektronowoltów

Zostawmy jednak na boku zabawki naukowców i zajmijmy się tym, do czego zdolna jest natura.

Tak naprawdę pozornie pustą przestrzeń kosmiczną bez przerwy przecinają rozpędzone cząstki, miotane przez gwiazdy, pulsary, supernowe, kwazary, blazary i pewnie setkę innych obiektów, czekających na nadanie im równie dziwacznych nazw. Większość promieniowania, które dociera do Ziemi, pochodzi ze strony Słońca i zwykle nie wzbudza większej ekscytacji. Tworzą je cząstki wlokące się znacznie wolniej od światła i mieszczące w energetycznych widełkach od kilku tysięcy do kilkuset milionów elektronowoltów. Dla porównania: wiązki hadronów rozpędzane w tunelu LHC, dociągają do siedmiu bilionów (!) elektronowoltów (lub wygodniej 7 TeV, teraelektronowoltów)^[1]A ponieważ w LHC zderzane są dwie wiązki, łączna energia kolizji wynosi około 14 TeV..

Jednak w deszczu oktylionów drobin zalewających w każdej sekundzie ziemską atmosferę, trafiają się również cząstki szczególne. Znawcy tematu nadali im bardzo wymowne miano ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych (UHECR). To adekwatna nazwa, ponieważ energia niesiona przez te miniaturowe pociski wybija poza skalę tego, z czym zwykliśmy się stykać w ziemskich warunkach. Kiedy kosztowny Wielki Zderzacz Hadronów osiąga dumne 7 bilionów eV, cząstki kwalifikowane jako UHECR przekraczają – proszę o zajęcie miejsc siedzących – ponad trylion eV. Stosując odpowiedni przedrostek wielokrotności, mówimy w tym przypadku o wartości przynajmniej 1 eksaelektronowolta (EeV).

Źródło:	Energia:
Pierwszy cyklotron Lawrence’a	10⁶ eV (1 MeV)
Tevatron	10¹² eV (1 TeV)
LHC	7 x 10¹² eV (7 TeV)
Cząstki UHECR	10¹⁸ eV (1 EeV)
Cząstki EECR	5 x 10¹⁹ eV (50 EeV)
Cząstka Oh-My-God	3,2 x 10²⁰ eV (320 EeV)

Parę przykładów dla porównania.

Na tym nie koniec, ponieważ wśród zdarzeń ultrawysokoenergetycznych, wyróżnia się czasem jeszcze węższą grupę promieni o ekstremalnej energii (EECR). Na członkostwo w tym klubie mogą liczyć jedynie cząstki powyżej progu 50 eksaelektronowoltów. Jest to grupa absolutnie elitarna. Wśród niezliczonych cząstek rejestrowanych rokrocznie przez wyspecjalizowane detektory na całym świecie, średnio kilka tysięcy przekracza wartość 1 EeV, ale tylko około dziesięciu z nich posiada energię ponad 50 EeV, gwarantującą przepustkę do klasy EECR.

O mój Boże!

Właśnie jeden z tak naenergetyzowanych przybyszów został przyłapany przez obserwatorium Fly’s Eye w 1991 roku. Proton, który nadleciał z kierunku konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy osiągnął wręcz niedorzeczny wynik 320 EeV. Trudno powiedzieć, czy któryś z naukowców przeglądający wykres rzeczywiście zaczął wzywać Stwórcę nadaremno; wiadomo natomiast, że humorystyczne miano cząstki O-mój-Boże przeniknęło do literatury trzy lata później, za sprawą artykułu inżyniera Johna Walkera.

Biuro — Rekonstrukcja wydarzeń w biurze High Resolution Fly’s Eye Cosmic Ray Detector. Koloryzowane i Office’owane.

Skoro przy nim jesteśmy, Walker poczynił kilka interesujących spostrzeżeń, które świetnie obrazują niecodzienną wagę odkrytego zjawiska.

Zwrócił on uwagę, że konwertując elektronowolty na jednostki SI, otrzymamy 51 dżuli – wystarczająco dużo, żeby odpalić na moment małą żarówkę albo podgrzać łyżkę wody o 1°C. Przechodząc na grunt energii kinetycznej, osiągi cząstki OMG można przyrównać do 56-gramowej piłki tenisowej poruszającej się z prędkością 150 km/h.

Nie jest to co prawda wynik, który zawstydziłby mistrzów Wielkiego Szlema, ale pomyślcie o skali, w jakiej się poruszamy. Rozprawiamy przecież o makroskopowej dawce energii przyłożonej do pojedynczej cząstki subatomowej! To tak, jakby skumulować całą energię bomby termojądrowej i wykorzystać ją do wystrzelenia piłeczki pingpongowej. Tylko bardziej.

Słowo od Alberta

Możemy również pokusić się o wykorzystanie Einsteinowskiej formuły E=mc², żeby sprawdzić, jak energia cząstki OMG zwiększyła jej całkowitą masę. Okazuje się, że wartość 320 EeV pozostaje równoważna dziesięciobilionowej części grama masy spoczynkowej. Odpowiada to w przybliżeniu masie bakterii E. coli. Znów, pozornie to niedużo, dopóki nie uświadomimy sobie, że pałeczka okrężnicy jest przynajmniej miliard razy większa od gołego protonu!

O wyjątkowości OMG najlepiej świadczy fakt, że ponad trzy dekady od jej odkrycia, nie uchwyciliśmy niczego podobnego. Żadna inna cząstka promieniowania kosmicznego nie przebiła granicy 300 EeV, a te, które przekroczyły wartość 200 EeV można policzyć na palcach jednej ręki.

Ostatni taki przypadek został opisany w listopadzie tego roku na łamach czasopisma Science. Odkrycia znów dokonano w amerykańskim Utah, tym razem w ramach projektu Telescope Array. Złapanej cząstce o energii 240 EeV / 40 dżuli – o jedną czwartą “słabszej” od OMG – nadano imię Amaterasu, w nawiązaniu do japońskiej bogini Słońca (choć fani uniwersum Naruto, pewnie będą mieli inne skojarzenie…).

Projekt Telescope Array — Detektory montowane na pustyni w Utah w ramach Telescope Array Project. Może nie prezentują się tak spektakularnie jak radioteleskopy SETI, ale robią robotę.

Niewidzialny kosmiczny akcelerator

Pojawia się pytanie, dlaczego promieniowanie o ekstremalnej energii wykrywane jest aż tak rzadko? Prawdopodobnej odpowiedzi dostarczyli na długo przed opisanymi obserwacjami teoretycy: Kenneth Greisen oraz niezależnie od niego Georgij Zatsepin i Vadim Kuzmin. W publikacjach z lat 60. postawili oni tezę, wedle której powinien istnieć górny limit dla energii noszonej przez kosmiczne cząstki. Zdaniem Amerykanina i Rosjan nieobojętny elektrycznie obiekt miałby być hamowany przez interakcję ze słabym, ale wszechobecnym mikrofalowym promieniowaniem tła. Dla protonu granica GZK wynosi 50 EeV.

Jeśli jesteście czujni, pewnie widzicie, że natrafiamy na pewien kłopot: OMG, Amaterasu i wszystkie inne cząstki EECR przekraczają limit GZK. Z tego samego powodu odkrywcy rekordu z 1991 roku główkowali długie miesiące, zanim zdecydowali się na ujawnienie zagadkowego wyniku.

Możliwości są dwie. Albo Greisen, Zatsepin i Kuzmin pobłądzili w swoich obliczeniach, albo ekstremalnie rozpędzone cząstki zostały wyemitowane stosunkowo blisko – w obrębie 200 milionów lat świetlnych od Ziemi (Supergromady Lokalnej Galaktyk) – i trafiły w Ziemię zanim promieniowanie tła zdołało je przyhamować.

Ta druga opcja wydaje się o tyle ciekawa, że świadczyłaby o zachodzeniu w przestrzeni kosmicznej nowej klasy procesów fizycznych, towarzyszących życiu gwiazd, pulsarów bądź czarnych dziur. Najpopularniejsza hipoteza łączy EECR z przyśpieszeniem uderzeniowym, nazywanym też przyśpieszeniem Fermiego^[2]Ciekawostka: rozwiniecie tego pomysłu stworzył polski matematyk Stanisław Ulam., towarzyszącym m.in. niektórym typom supernowych. W koncepcji tej, odchodząca od gwiazdy fala uderzeniowa tworzy coś w rodzaju zwierciadła magnetycznego, zamykającego emitowane cząstki pomiędzy falą i powierzchnią plazmy. Tuż po eksplozji, kiedy ta przestrzeń jest niewielka, cząstki odbijają się w tę i we w tę, nabierając monstrualnej energii. Te, którym uda się wydostać z magnetycznej pułapki najszybciej, mogą wystrzelić w przestrzeń z impetem porównywalnym do OMG.

Brzmi prawdopodobnie. Niestety dotąd nie udało nam się powiązać żadnego z zarejestrowanych promieni EECR z konkretnym obiektem kosmicznym, co pomogłoby potwierdzić lub obalić tę koncepcję. Powtarzając za astrofizykiem Davidem Kiedą: “To tak, jakbyś miał na podwórku goryla, który rzuca w ciebie kulami do kręgli, ale jest niewidzialny”. Zważywszy na to, że Amaterasu dotarła do Ziemi z kierunku ubogiej w galaktyki Pustki Lokalnej, trudno o celniejszą metaforę.

Sezon polowań na niewidzialne kosmiczne goryle pozostaje otwarty.