Το όριο Greisen-Zatsepin-Kuzmin για την ενέργεια των κοσμικών ακτίνων

Άρθρο, Ιούλιος 2007

Το όριο Greisen-Zatsepin-Kuzmin είναι ένα θεωρητικό ανώτερο όριο για την ενέργεια των κοσμικών ακτίνων από απόμακρες πηγές. Το όριο αυτό υπολογίστηκε το 1966 από τους Kenneth Greisen, Vadim Kuzmin και Georgiy Zatsepin, οι οποίοι βασίστηκαν στις αλληλεπιδράσεις που είχαν προβλεφτεί μεταξύ των κοσμικών ακτίνων και των φωτονίων της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Οι τρεις τους πρόβλεψαν ότι οι κοσμικές ακτίνες με ενέργειες πάνω από την ενέργεια κατωφλίου των 6Χ10¹⁹ eV θα αλληλεπιδρούσαν με τα φωτόνια της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου για να παραγάγουν πιόνια. Αυτό θα συνεχιζόταν έως ότου μειωνόταν η ενέργειά τους κάτω από το κατώτατο όριο παραγωγής του πιονίου.

Οι εξωγαλαξιακές κοσμικές ακτίνες με απόσταση μεγαλύτερη από 50 Mpc από τη Γη και με ενέργειες μεγαλύτερες από αυτό το όριο κατωφλίου ποτέ δεν έπρεπε να παρατηρηθούν από τη Γη ενώ, επίσης, δεν υπάρχουν και γνωστές πηγές μέσα σε αυτή την απόσταση που να μπορούν να παράγουν αυτές τις ακτίνες.

Από την ιστορία

Οι φυσικοί ξέρουν από το 1912 ότι η Γη βομβαρδίζεται συνεχώς από μια κοσμική βροχή σωματιδίων υψηλής ενέργειας - συνήθως πρωτόνια αλλά και βαρύτεροι πυρήνες - αλλά μέχρι σήμερα δεν έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος ώστε να μάθουμε από που προέρχονται αυτά τα σωματίδια.

Ο λόγος που δεν μπορούμε να κάνουμε αστρονομία με τις κοσμικές ακτίνες είναι απλός: τα φορτισμένα σωματίδια εκτρέπονται από τα μαγνητικά πεδία, που σημαίνει ότι δεν μπορούμε να καθορίσουμε ακριβώς τη θέση από την οποία προέρχονται. Ακόμη και το γαλαξιακό μαγνητικό πεδίο, που είναι μερικά εκατομμυριοστά του ενός gauss μόνο, μπορεί να επαναπροσανατολίσει τις κοσμικές ακτίνες που έχουν ενέργειες μέχρι 10¹⁸ eV, έτσι ώστε εμφανίζονται να προέρχονται ομοιόμορφα από όλες τις κατευθύνσεις.

Το άλυτο πρόβλημα των κοσμικών ακτίνων

Όμως, υπάρχει ένα άλυτο πρόβλημα μέχρι στιγμής στη φυσική, που έρχεται σε αντίθεση με το πιο πάνω όριο της ενέργειας. Μερικές κοσμικές ακτίνες εμφανίζονται να έχουν ενέργειες που είναι θεωρητικά πάρα πολύ υψηλές, δεδομένου ότι δεν υπάρχει καμία δυνατή πηγή κοντά στη Γη, ενώ και οι ακτίνες από τις απόμακρες πηγές πρέπει να έχουν σκεδαστεί από τα φωτόνια της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Οι παρατηρήσεις έχουν γίνει με το πείραμα AGASA (μάλιστα οι παρατηρήσεις κράτησαν για 15 χρόνια), και δείχνουν ότι 11 κοσμικές ακτίνες από απόμακρες πηγές έχουν ενέργειες πάνω από αυτό το όριο GZK (ονομάζονται μάλιστα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες). Η παρατηρηθείσα ύπαρξη αυτών των σωματιδίων είναι το λεγόμενο παράδοξο GZK ή παράδοξο των κοσμικών ακτίνων.

Το πρώτο σωματίδιο με ενέργεια 10¹¹ GeV (πάνω από το όριο GZK) ανακαλύφθηκε από τον John Linsley του πανεπιστημίου του Νέου Μεξικού αρκετά χρόνια πριν από την ανακάλυψη του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων. Σε τέτοιες τεράστιες ενέργειες η αλληλεπίδραση της αρχικής κοσμικής ακτίνας με τα σωματίδια του αέρα στην ατμόσφαιρα προκαλεί ένα "ντους σωματιδίων". Αυτό το μέτωπο των σωματιδίων ταξιδεύει κοντά στην ταχύτητα του φωτός και διαδίδεται καλύπτοντας ένα χώρο δεκάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων, ώσπου να χτυπήσει το έδαφος.

Υπάρχει εξήγηση;

Αυτές οι παρατηρήσεις δείχνουν να έρχονται σε αντίθεση με τις προβλέψεις της ειδικής σχετικότητας και της σωματιδιακής φυσικής, όπως σήμερα γίνονται κατανοητές.. Εντούτοις, υπάρχουν διάφορες πιθανές εξηγήσεις για αυτές τις παρατηρήσεις που μπορούν να επιλύσουν αυτήν την ασυνέπεια. Αρχικά, οι παρατηρήσεις θα μπορούσαν να οφείλονται σε ένα λάθος των οργάνων ή σε μια ανακριβή ερμηνεία του πειράματος. Αφετέρου, οι κοσμικές ακτίνες θα μπορούσαν να έχουν τοπικές πηγές (αν και είναι ασαφές τι θα μπορούσαν να είναι αυτές οι πηγές των ακτίνων).

Μια άλλη πρόταση περιλαμβάνει τα ασθενώς αλληλεπιδρώντας σωματίδια με υψηλή ενέργεια (παραδείγματος χάριν τα νετρίνο), που μπορούν να δημιουργηθούν σε μεγάλες αποστάσεις και να αντιδράσουν αργότερα τοπικά για να προκαλέσουν τα παρατηρηθέντα σωματίδια.

Έχουν δε αναπτυχθεί διάφορες εξωτικές θεωρίες για να εξηγήσουν αυτές τις παρατηρήσεις, των οποίων η πιο ξεχωριστή είναι η θεωρία της διπλά ειδικής σχετικότητας ή επιπρόσθετης ειδικής σχετικότητας (Doubly-special relativity).

Τελευταία, έχει αναπτυχθεί η άποψη ότι η υψηλή ενέργεια των κοσμικών ακτίνων οφείλεται στην εξαΰλωση των εξωτικών σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, που βρίσκεται στην άλω του Γαλαξία μας.

Ο Subir Sarkar φυσικός στην Οξφόρδη έχει προτείνει ότι οι υπερβολικά υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες παράγονται από τις αργές διασπάσεις των βαρέων σωματιδίων της σκοτεινής ύλης που προβλέπονται από τις ενοποιημένες θεωρίες, και που θα μπορούσαν να έχουν δημιουργηθεί στον πρώιμο Κόσμο. Αν και τέτοια σωματίδια σκοτεινής ύλης είναι έξω από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής, το ενεργειακό φάσμα των προϊόντων της διάσπασης τους καθορίζεται ουσιαστικά από τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής μαζί με τη θεωρία που περιγράφει την διάσπαση των βαρέων σωματιδίων, όπως είναι τα μποζόνια Ζ.

Αυτά τα βαριά σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι παραπάνω από 10¹² GeV, πολύ μεγαλύτερα από όλα τα γνωστά σωματίδια. Είναι ενδιαφέρον ότι βρίσκονται στην ίδια ενεργειακή κλίμακα με υπερσυμμετρικά σωματίδια, όπως είναι το cryptons από τον φυσικό John Ellis του CERN, Επιπλέον, σε αυτό το μοντέλο οι κοσμικές ακτίνες δεν μπορούν να βομβαρδίσουν τη Γη ομοιόμορφα από όλες τις κατευθύνσεις, επειδή δεν είμαστε στο κέντρο του Γαλαξία - ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να εξεταστεί με περισσότερα στοιχεία.

Από το 2003, προγραμματίζονται αρκετά πειράματα για τις κοσμικές ακτίνες, όπως είναι το GLAST και το Pierre Auger Observatory που προορίζονται να επιβεβαιώσουν ή να αρνηθούν την ακρίβεια των προηγούμενων παρατηρήσεων.

Κατά τη διάρκεια της 30ής Διεθνούς Διάσκεψης για τις Κοσμικές Ακτίνες στο Yucatαn του Μεξικού, που θα γίνει τον Ιούλιο του 2007, η Διεθνής Συνεργασία Auger θα παρουσιάσει τα αποτελέσματά της για τις εξαιρετικά υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες.

Πηγές: Wikipedia, PhysicsWorld

Home