Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνων

Κοσμολογικό φράγμα Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνωνενέργειας κοσμικών ακτίνων

Όνομα: Σουέιρο Μαρία – ΧίλνταΌνομα: Σουέιρο Μαρία – Χίλντα

Υπεύθυνος καθηγητής: Α. ΚεχαγιάςΥπεύθυνος καθηγητής: Α. Κεχαγιάς

ΚοσμικήΚοσμική ακτινοβολία υποβάθρουακτινοβολία υποβάθρου

ΠροέλευσηΠροέλευση15 δισεκατομμύρια χρόνια πριν 15 δισεκατομμύρια χρόνια πριν → Σύμπαν = → Σύμπαν =

θερμό, πυκνό και σχεδόν ομογενές, απειροστό θερμό, πυκνό και σχεδόν ομογενές, απειροστό μέγεθος → μέγεθος → Θερμή Μεγάλη ΈκρηξηΘερμή Μεγάλη Έκρηξη → →

Τ = 3000 Κ : τα πρωτόνια προσλαμβάνουν τα Τ = 3000 Κ : τα πρωτόνια προσλαμβάνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και σχηματίζονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και σχηματίζονται τα άτομα υδρογόνου → Αποδέσμευση μάζας – άτομα υδρογόνου → Αποδέσμευση μάζας – ακτινοβολίας → Κοσμική ακτινοβολία ακτινοβολίας → Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρουυποβάθρου


Αποδέσμευση Αποδέσμευση μάζας - μάζας - ακτινοβολίαςακτινοβολίας


ΑνακάλυψηΑνακάλυψη• Gamow, 1946Gamow, 1946• Penzias Penzias και και Wilson, Wilson, Bell Labs,Bell Labs, 1964 1964


Συστηματικό σφάλμα Συστηματικό σφάλμα → → Πιθανές αιτίες που Πιθανές αιτίες που ερευνήθηκαν: ραδιοφωνικά σήματα από τη Νέα ερευνήθηκαν: ραδιοφωνικά σήματα από τη Νέα Υόρκη, πυρηνικές δοκιμές, φωλιά περιστεριών μέσα Υόρκη, πυρηνικές δοκιμές, φωλιά περιστεριών μέσα στο τηλεσκόπιο!!! στο τηλεσκόπιο!!!

Πήραν το βραβείο Πήραν το βραβείο Nobel Nobel το 1978.το 1978.

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρουΚοσμική ακτινοβολία υποβάθρου

Κύρια χαρακτηριστικάΚύρια χαρακτηριστικά• ακτινοβολία μέλανος σώματοςακτινοβολία μέλανος σώματος


• Τ = 2.726 Τ = 2.726 ±± 0.010 Κ 0.010 Κ ((Cosmic Background Cosmic Background Explorer)Explorer)

• χαρακτηριστική χαρακτηριστική ενέργεια των φωτονίων: ενέργεια των φωτονίων:

2 2 xx 10 10-4-4 eV eV


• 400 φωτόνια κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ανά 400 φωτόνια κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ανά cmcm33

• aaνισοτροπίες στην κατανομή θερμοκρασίαςνισοτροπίες στην κατανομή θερμοκρασίας

Κοσμικές ακτίνεςΚοσμικές ακτίνες

ΑνακάλυψηΑνακάλυψη• Victor Hess, 1912Victor Hess, 1912 ΠροέλευσηΠροέλευση• Υπό συζήτηση!Υπό συζήτηση!

Κοσμικές ακτίνεςΚοσμικές ακτίνες

Κύρια χαρακτηριστικάΚύρια χαρακτηριστικά• είναι φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια αλλά είναι φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια αλλά

και ελαφριοί πυρήνες και ελαφριοί πυρήνες • μεγάλο ενεργειακό φάσμα, από μερικά μεγάλο ενεργειακό φάσμα, από μερικά eV eV μέχρι μέχρι

αρκετά αρκετά GeVGeV• είναι τα ταχύτερα κινούμενα σωματίδια στο σύμπαν, είναι τα ταχύτερα κινούμενα σωματίδια στο σύμπαν,

κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες ελάχιστα κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες ελάχιστα μικρότερες από αυτή του φωτόςμικρότερες από αυτή του φωτός

• ανιχνεύονται μέσω των πιδάκων σωματιδίων που ανιχνεύονται μέσω των πιδάκων σωματιδίων που παράγονται όταν εισέρχονται στην ατμόσφαιραπαράγονται όταν εισέρχονται στην ατμόσφαιρα

ΑλληλεπίδρασηΑλληλεπίδραση

Φωτοπαραγωγή πιονίων:Φωτοπαραγωγή πιονίων:

γ + γ + p p →→ n + n + ππ+ + ή γ + ή γ + p p →→ p + p + ππ00

→ → μείωση της ενέργειας των πρωτονίων → μείωση της ενέργειας των πρωτονίων → φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων: φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων: ενέργεια αποκοπής ενέργεια αποκοπής GZK (Greisen – Zatsepin – GZK (Greisen – Zatsepin – Kuz’min)Kuz’min)

Υπολογισμός ενέργειας Υπολογισμός ενέργειας GZKGZK

• Θεωρούμε την αλληλεπίδραση: γ + Θεωρούμε την αλληλεπίδραση: γ + p p →→ n + n + ππ++

• Θέλουμε να υπολογίσουμε την ενέργεια Θέλουμε να υπολογίσουμε την ενέργεια κατωφλιού αυτής της αντίδρασης.κατωφλιού αυτής της αντίδρασης.

• Στο σύστημα κέντρου μάζας: Στο σύστημα κέντρου μάζας:

ppγγ = ( Ε = ( Εγγ, -, -ppγγ) ) pppp = ( E = ( Epp, p, ppp) )

ppnn = ( m = ( mnn, 0), 0) ppππ = ( = ( mmππ, 0) , 0)


• Θεωρούμε το αναλλοίωτο της τετραορμής:Θεωρούμε το αναλλοίωτο της τετραορμής: (p(pγγ + + pppp))22 = (p = (pnn + p + pππ))22

0 0 ++ mmpp22 + 2p + 2pγγ..pppp = m = mnn

22 + m + mππ22 + 2 + 2ppnn.p.pππ

2Ε2Εγγ.Ε.Εpp + 2E + 2Eγγ.E.Epp + m + mpp22 = m = mnn

22 + m + mππ22 – 2 – 2mmnn.m.mππ

4 E4 Eγγ..EEpp = - m = - mpp

22 + m + mnn22 + m + mππ

22 – 2 – 2mmnn.m.mππ

(m(mpp ≈≈ m mnn)) 4E4Eγγ..EEpp = = mmππ

22 + 2m + 2mpp..mmππ

44EEγγ..EEpp = 2 = 2mmpp.m.mππ (1 + m (1 + mππ//2m2mpp))


EEpp = = ( 1 + ( 1 + mmππ/2m/2mpp) m) mppmmππ/2Ε/2Εγγ

• mmππ = 139.57 MeV = 139.57 MeV• mmpp = 938.27 MeV = 938.27 MeV• EEγγ ≈≈ 2 2 x 10x 10-4-4 eVeV EEpp ≈≈ 3 x 10 3 x 102020 eV eV

Αυτό είναι το φράγμα ενέργειας των κοσμικών Αυτό είναι το φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων, που οφείλεται στην αλληλεπίδρασή ακτίνων, που οφείλεται στην αλληλεπίδρασή τους με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.τους με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Φράγμα ενέργειαςΦράγμα ενέργειας

• Η ελάχιστη ενέργεια των πρωτονίων για την Η ελάχιστη ενέργεια των πρωτονίων για την πραγματοποίηση της φωτοπαραγωγής πιονίων πραγματοποίηση της φωτοπαραγωγής πιονίων είναι 3 είναι 3 x x 10102020 eVeV

Δεν αναμένουμε να παρατηρηθούν κοσμικές Δεν αναμένουμε να παρατηρηθούν κοσμικές ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή.ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή.

Όμως...Όμως...Έχουν παρατηρηθεί κοσμικές ακτίνες με ενέργεια Έχουν παρατηρηθεί κοσμικές ακτίνες με ενέργεια

μεγαλύτερη των 3 μεγαλύτερη των 3 x x 10102020 eV eV: : Κοσμικές ακτίνες Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών!υπερυψηλών ενεργειών!

Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειώνενεργειών

• Μέση ελεύθερη διαδρομή πρωτονίων:Μέση ελεύθερη διαδρομή πρωτονίων:

λ = 1/σ.Νλ = 1/σ.Νγγ

όπου σ = 2 όπου σ = 2 x 10x 10-28-28 cm cm22: η ενεργός διατομή της : η ενεργός διατομή της

αντίδρασηςαντίδρασης

ΝΝγγ = 400 γ/ = 400 γ/cmcm33: μέσος αριθμός φωτονίων: μέσος αριθμός φωτονίων

ανά όγκο ανά όγκο λ λ ≈≈ 10102525 cm cm ≈≈ 10 10 εκατ. έτη φωτόςεκατ. έτη φωτός

Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειώνενεργειών

• Η μέση ελεύθερη διαδρομή που υπολογίσαμε Η μέση ελεύθερη διαδρομή που υπολογίσαμε είναι λίγες φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος είναι λίγες φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος της δικής μας τοπικής ομάδας.της δικής μας τοπικής ομάδας.

Ίσως αυτές οι κοσμικές ακτίνες να Ίσως αυτές οι κοσμικές ακτίνες να προέρχονται από ‘κοντινές’ περιοχές του προέρχονται από ‘κοντινές’ περιοχές του γαλαξία.γαλαξία.

Όμως...Όμως...• Σε αυτή την περιοχή δεν υπάρχουν πιθανές Σε αυτή την περιοχή δεν υπάρχουν πιθανές

ισχυρές πηγές κοσμικών ακτίνων! ισχυρές πηγές κοσμικών ακτίνων!

Πειραματικές προσπάθειεςΠειραματικές προσπάθειες

Επιβεβαίωση ή Επιβεβαίωση ή απόρριψη του απόρριψη του φαινομένου;φαινομένου;

HIRESHIRES: φαίνεται να : φαίνεται να υποδεικνύει την υποδεικνύει την ύπαρξη του ύπαρξη του φράγματος φράγματος GZKGZK

• AGASAAGASA: δεν υπάρχει : δεν υπάρχει ένδειξη για ενέργεια ένδειξη για ενέργεια αποκοπήςαποκοπής

Πειραματικές προσπάθειεςΠειραματικές προσπάθειες

Σημαντικό: και στα δύο πειράματα έχουμε Σημαντικό: και στα δύο πειράματα έχουμε μεγάλο σφάλμα κοντά στις ενέργειες όπου μεγάλο σφάλμα κοντά στις ενέργειες όπου αναμένεται να εμφανίζεται το φαινόμενο.αναμένεται να εμφανίζεται το φαινόμενο.

Παρόλο που το Παρόλο που το HIRES HIRES υπαινίσσεται την υπαινίσσεται την ύπαρξη του φράγματος, στις ενέργειες των 10ύπαρξη του φράγματος, στις ενέργειες των 102020 eV eV η απόκλιση από τις αναμενόμενες τιμές η απόκλιση από τις αναμενόμενες τιμές είναι περίπου 2.3σ. είναι περίπου 2.3σ.

Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειεςΜελλοντικές πειραματικές προσπάθειες

Χρειάζονται πειράματα Χρειάζονται πειράματα με καλύτερη στατιστικήμε καλύτερη στατιστική

• Pierre AugerPierre Auger• EUSOEUSO

Προσωμοίωση Προσωμοίωση αποτελεσμάτων για τρία αποτελεσμάτων για τρία χρόνια λήψης μετρήσεωνχρόνια λήψης μετρήσεων

Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειεςΜελλοντικές πειραματικές προσπάθειες

• Αν τα αποτελέσματα είναι συγκρίσιμα με αυτά του Αν τα αποτελέσματα είναι συγκρίσιμα με αυτά του HIRESHIRES αλλά με καλύτερη στατιστική, θα μπορούμε να αλλά με καλύτερη στατιστική, θα μπορούμε να αποδεχτούμε την ύπαρξη του φράγματος της ενέργειας αποδεχτούμε την ύπαρξη του φράγματος της ενέργειας των κοσμικών ακτίνων λόγω της κοσμικής των κοσμικών ακτίνων λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.ακτινοβολίας υποβάθρου.

• Αν τα αποτελέσματα μοιάζουν με αυτά του Αν τα αποτελέσματα μοιάζουν με αυτά του AGASAAGASA::→ νέα συστατικά κοσμικών ακτίνωννέα συστατικά κοσμικών ακτίνων→ παραβίαση του αναλλοίωτου του παραβίαση του αναλλοίωτου του LorentzLorentz→ νέες ισχυρές αλληλεπιδράσεις νετρίνων νέες ισχυρές αλληλεπιδράσεις νετρίνων

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

• James B. Hartle, Gravity – An introduction to James B. Hartle, Gravity – An introduction to Einstein's general relativityEinstein's general relativity

• Frank H. Shu, Frank H. Shu, Αστροφυσική – Δομή και εξέλιξη Αστροφυσική – Δομή και εξέλιξη του Σύμπαντοςτου Σύμπαντος

• D. H. Perkins, D. H. Perkins, Εισαγωγή στη φυσική υψηλών Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειώνενεργειών

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

• GZK cutoff distortion due to the energy error GZK cutoff distortion due to the energy error distribution shape distribution shape I. Albuquerque, G. SmootI. Albuquerque, G. Smoot

• The cosmic microwave background radiation The cosmic microwave background radiation E. Gawsier, J. SilkE. Gawsier, J. Silk

• The origin of ultra high energy cosmic rays The origin of ultra high energy cosmic rays P. BlasiP. Blasi

Documents

Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνων