Κοσμολογικό φράγμα ενέργειας κοσμικών ακτίνων Όνομα: Σουέιρο Μαρία – Χίλντα Υπεύθυνος καθηγητής: Α. Κεχαγιάς

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Προέλευση 15 δισεκατομμύρια χρόνια πριν → Σύμπαν = θερμό, πυκνό και σχεδόν ομογενές, απειροστό μέγεθος → Θερμή Μεγάλη Έκρηξη → Τ = 3000 Κ : τα πρωτόνια προσλαμβάνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και σχηματίζονται τα άτομα υδρογόνου → Αποδέσμευση μάζας – ακτινοβολίας → Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Αποδέσμευση μάζας - ακτινοβολίας

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Ανακάλυψη Gamow, 1946 Penzias και Wilson, Bell Labs, 1964

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Συστηματικό σφάλμα → Πιθανές αιτίες που ερευνήθηκαν: ραδιοφωνικά σήματα από τη Νέα Υόρκη, πυρηνικές δοκιμές, φωλιά περιστεριών μέσα στο τηλεσκόπιο!!! Πήραν το βραβείο Nobel το 1978.

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Κύρια χαρακτηριστικά ακτινοβολία μέλανος σώματος

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Τ = 2.726 ± 0.010 Κ (Cosmic Background Explorer) χαρακτηριστική ενέργεια των φωτονίων: 2 x 10-4 eV

Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου 400 φωτόνια κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ανά cm3 aνισοτροπίες στην κατανομή θερμοκρασίας

Κοσμικές ακτίνες Ανακάλυψη Victor Hess, 1912 Προέλευση Υπό συζήτηση!

Κοσμικές ακτίνες Κύρια χαρακτηριστικά είναι φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια αλλά και ελαφριοί πυρήνες μεγάλο ενεργειακό φάσμα, από μερικά eV μέχρι αρκετά GeV είναι τα ταχύτερα κινούμενα σωματίδια στο σύμπαν, κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες ελάχιστα μικρότερες από αυτή του φωτός ανιχνεύονται μέσω των πιδάκων σωματιδίων που παράγονται όταν εισέρχονται στην ατμόσφαιρα

Αλληλεπίδραση Φωτοπαραγωγή πιονίων: γ + p → n + π+ ή γ + p → p + π0 → μείωση της ενέργειας των πρωτονίων → φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων: ενέργεια αποκοπής GZK (Greisen – Zatsepin – Kuz’min)

Υπολογισμός ενέργειας GZK Θεωρούμε την αλληλεπίδραση: γ + p → n + π+ Θέλουμε να υπολογίσουμε την ενέργεια κατωφλιού αυτής της αντίδρασης. Στο σύστημα κέντρου μάζας: pγ = ( Εγ, -pγ) pp = ( Ep, pp) pn = ( mn, 0) pπ = ( mπ, 0)

Υπολογισμός ενέργειας GZK Θεωρούμε το αναλλοίωτο της τετραορμής: (pγ + pp)2 = (pn + pπ)2 0 + mp2 + 2pγ.pp = mn2 + mπ2 + 2pn.pπ 2Εγ.Εp + 2Eγ.Ep + mp2 = mn2 + mπ2 – 2mn.mπ 4 Eγ.Ep = - mp2 + mn2 + mπ2 – 2mn.mπ (mp ≈ mn) 4Eγ.Ep = mπ2 + 2mp.mπ 4Eγ.Ep = 2mp.mπ (1 + mπ/2mp)

Υπολογισμός ενέργειας GZK Ep = ( 1 + mπ/2mp) mpmπ/2Εγ mπ = 139.57 MeV mp = 938.27 MeV Eγ ≈ 2 x 10-4 eV Ep ≈ 3 x 1020 eV Αυτό είναι το φράγμα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων, που οφείλεται στην αλληλεπίδρασή τους με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Φράγμα ενέργειας Η ελάχιστη ενέργεια των πρωτονίων για την πραγματοποίηση της φωτοπαραγωγής πιονίων είναι 3 x 1020 eV Δεν αναμένουμε να παρατηρηθούν κοσμικές ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή. Όμως... Έχουν παρατηρηθεί κοσμικές ακτίνες με ενέργεια μεγαλύτερη των 3 x 1020 eV: Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών!

Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών Μέση ελεύθερη διαδρομή πρωτονίων: λ = 1/σ.Νγ όπου σ = 2 x 10-28 cm2: η ενεργός διατομή της αντίδρασης Νγ = 400 γ/cm3: μέσος αριθμός φωτονίων ανά όγκο λ ≈ 1025 cm ≈ 10 εκατ. έτη φωτός

Κοσμικές ακτίνες υπερυψηλών ενεργειών Η μέση ελεύθερη διαδρομή που υπολογίσαμε είναι λίγες φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος της δικής μας τοπικής ομάδας. Ίσως αυτές οι κοσμικές ακτίνες να προέρχονται από ‘κοντινές’ περιοχές του γαλαξία. Όμως... Σε αυτή την περιοχή δεν υπάρχουν πιθανές ισχυρές πηγές κοσμικών ακτίνων!

Πειραματικές προσπάθειες Επιβεβαίωση ή απόρριψη του φαινομένου; HIRES: φαίνεται να υποδεικνύει την ύπαρξη του φράγματος GZK AGASA: δεν υπάρχει ένδειξη για ενέργεια αποκοπής

Πειραματικές προσπάθειες Σημαντικό: και στα δύο πειράματα έχουμε μεγάλο σφάλμα κοντά στις ενέργειες όπου αναμένεται να εμφανίζεται το φαινόμενο. Παρόλο που το HIRES υπαινίσσεται την ύπαρξη του φράγματος, στις ενέργειες των 1020 eV η απόκλιση από τις αναμενόμενες τιμές είναι περίπου 2.3σ.

Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειες Χρειάζονται πειράματα με καλύτερη στατιστική Pierre Auger EUSO Προσωμοίωση αποτελεσμάτων για τρία χρόνια λήψης μετρήσεων

Μελλοντικές πειραματικές προσπάθειες Αν τα αποτελέσματα είναι συγκρίσιμα με αυτά του HIRES αλλά με καλύτερη στατιστική, θα μπορούμε να αποδεχτούμε την ύπαρξη του φράγματος της ενέργειας των κοσμικών ακτίνων λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Αν τα αποτελέσματα μοιάζουν με αυτά του AGASA: νέα συστατικά κοσμικών ακτίνων παραβίαση του αναλλοίωτου του Lorentz νέες ισχυρές αλληλεπιδράσεις νετρίνων

Βιβλιογραφία James B. Hartle, Gravity – An introduction to Einstein's general relativity Frank H. Shu, Αστροφυσική – Δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος D. H. Perkins, Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειών

Βιβλιογραφία GZK cutoff distortion due to the energy error distribution shape I. Albuquerque, G. Smoot The cosmic microwave background radiation E. Gawsier, J. Silk The origin of ultra high energy cosmic rays P. Blasi