Kosmische Strahlen duschen Teilchen, indem sie auf Protonen und Atome in der Atmosphäre treffen, aber sie emittieren auch Licht aufgrund von Cherenkov-Strahlung. Bildnachweis: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

Wissenschaftler fangen Teilchen mit der höchsten Energie ein, indem sie sie schneller als Licht werden lassen

Nicht schneller als 299.792.458 m / s, aber schneller als das Licht bewegt sich durch etwas anderes als Vakuum!

„Ihr seid beide Idioten. Du kannst keine Gedanken oder Engel sehen. Einer ist eine abstrakte, der andere eine Phantasie. Die beiden zu vergleichen wäre albern. Natürlich können wir mit Hilfe der Inferenzlogik die Existenz des Denkens durch die Beweise seiner Handlungen erkennen, so wie ich die Existenz einer neuen Form von Strahlung entdeckt habe! Wenn wir keine Beweise für Gott oder Engel sehen und Occams Rasiermesser anwenden, können wir Gott oder Engel mit metaphysischer Sicherheit effektiv ausschließen. Übrigens, Herr Astronaut, Sie haben Krebs. “-Pavel Cherenkov (angeblich)

Wenn Sie immer mehr Energie in ein massives Teilchen pumpen, bewegt es sich immer schneller und nähert sich asymptotisch der Lichtgeschwindigkeit. Wenn Ihr Partikel jedoch zu viel Energie enthält, funktioniert Ihre Standardmethode zum Aufbau eines Detektors - das Partikel zum Zusammenstoß mit einem anderen zu zwingen und die Eigenschaften der herauskommenden Partikel zu erkennen - einfach nicht. Je schneller die Partikel gehen, desto schneller und unbestimmter sind die Detektorspuren. Dies bedeutet, dass Ihre Versuche, die Energie, Masse, Ladung und andere Eigenschaften der Originalpartikel zu rekonstruieren, immer schlechter werden. Die "Brute Force" -Lösung für den Bau größerer und empfindlicherer Detektoren wird sehr schnell unerschwinglich teuer. das geht einfach nicht. Aber es gibt einen Trick, den Physiker anwenden können: die Lichtgeschwindigkeit verlangsamen und das Teilchen zwingen, sich spontan zu verlangsamen.

Teilchenbeschleuniger auf der Erde, wie der LHC am CERN, können Teilchen sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, aber nicht ganz so schnell. Bildnachweis: LHC / CERN.

Es ist wahr, dass Einstein es schon 1905 richtig gemacht hat: Es gibt eine Höchstgeschwindigkeit für alles im Universum, und diese Geschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum von 299.792.458 m / s. Kosmische Strahlenteilchen können sogar am LHC schneller als alles andere auf der Erde sein. Hier ist eine unterhaltsame Liste, wie schnell verschiedene Teilchen mit einer Vielzahl von Beschleunigern und aus dem All fliegen können:

  • 980 GeV: schnellstes Fermilab-Proton, 0,99999954 c, 299,792,320 m / s.
  • 6,5 TeV: schnellstes LHC-Proton, 0,9999999896c, 299,792,455 m / s.
  • 104,5 GeV: schnellstes LEP-Elektron (schnellste Beschleunigerteilchen aller Zeiten), 0,999999999988c, 299,792,457,9964 m / s.
  • 5 x 10¹ & sup5; eV: Kosmische Strahlung mit der höchsten Energie aller Zeiten (Protonen angenommen), 0,999999999999999999973c, 299,792,457,9999999999918 m / s.

Wenn es um die absolut schnellsten Teilchen überhaupt geht, haben erdbasierte Beschleuniger keine Chance.

Die energiereiche Strahlung und Partikel der aktiven Galaxie NGC 1275 sind nur ein Beispiel für astrophysikalische Hochenergiephänomene, die alles auf der Erde bei weitem übertreffen. Bildnachweis: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA).

So gut unsere Kontrolle über elektrische und magnetische Felder ist, können wir nicht mit den natürlichen Phänomenen des Universums konkurrieren, um geladene Teilchen in einen Ring zu biegen und sie jedes Mal mit einem „Kick“ zu beschleunigen. Schwarze Löcher, Neutronensterne, verschmelzende Sternensysteme, Supernovae und andere astrophysikalische Katastrophen können Teilchen auf weit höhere Geschwindigkeiten beschleunigen als alles, was wir jemals auf der Erde tun könnten. Die kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie bewegen sich in einem Vakuum so nahe an der Lichtgeschwindigkeit, dass, wenn Sie ein Proton dieser Energie und ein Photon zum nächsten Stern und zurück rennen würden, das Photon zuerst ankommen würde… mit dem Proton nur 22 Mikrometer zurück und kommen 700 Femtosekunden später an.

Ein Teil der digitalisierten Himmelsvermessung mit dem unserer Sonne nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, in der Mitte rot dargestellt. Bildnachweis: David Malin, UK Schmidt Telescope, DSS, AAO.

Photonen bewegen sich jedoch nur mit dieser perfekten Lichtgeschwindigkeit, c, wenn sie sich in einem Vakuum oder in der völligen Leere des Raums befinden. Wenn Sie eine in ein Medium - wie Wasser, Glas oder Acryl - geben, bewegen sich diese mit Lichtgeschwindigkeit, die um einiges unter 299.792.458 m / s liegt. Sogar Luft, die einem Vakuum ziemlich nahe kommt, verlangsamt das Licht um 0,03% von seiner maximal möglichen Geschwindigkeit. Das ist nicht so viel, aber es bedeutet etwas Bemerkenswertes: Diese energiereichen Partikel, die in die Atmosphäre gelangen, bewegen sich jetzt schneller als Licht in diesem Medium, was bedeutet, dass sie eine spezielle Art von Strahlung aussenden, die als Cherenkov-Strahlung bekannt ist.

Der Kern des Advanced Test Reactor, Idaho National Laboratory. Bildnachweis: Argonne National Laboratory.

Wenn Sie sich in einem Medium schneller als Licht bewegen, emittieren Sie Photonen radial nach außen in alle Richtungen, aber sie bilden einen „Lichtkegel“, weil sich das Teilchen, das sie emittiert, so schnell bewegt. Kernreaktoren, die schnelle Partikel emittieren, sind von Wasser umgeben, um Menschen vor den Partikeln zu schützen, die der Reaktor emittiert. Da sich diese Teilchen jedoch schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser bewegen, hat dieses Wasser aufgrund dieser Strahlung einen charakteristischen blauen Schimmer! Die Atmosphäre leuchtet nicht ganz blau, aber wenn ein kosmischer Strahl in einem bestimmten Energiebereich die Atmosphäre durchdringt, wird die Cherenkov-Strahlung mit einer anderen spezifischen Frequenz ausgestrahlt und kann durch eine Reihe von Teleskopen der richtigen Größe auf dem Boden nachgewiesen werden .

Die bodengestützten Gammastrahlenteleskope des VERITAS-Arrays (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). Bildnachweis: © 2011 The VERITAS Collaboration.

Gegenwärtig sind Observatorien wie H.E.S.S., MAGIC und VERITAS als Cherenkov-Teleskope für die atmosphärische Bildgebung eingerichtet und haben Orte und Energien für die Quellen von sehr energiereichen kosmischen Strahlen bereitgestellt wie nie zuvor. Aber als Wissenschaftler wollen wir es besser machen. In diesem Jahr wurde zum ersten Mal mit dem Bau des ehrgeizigsten Versuchs begonnen, die Quellen dieser Partikelarten zu untersuchen: das Cherenkov-Teleskop-Array. Insgesamt wird das Array aus 118 Gerichten bestehen: 19 auf der Nordhalbkugel und 99 auf der Südhalbkugel, wobei sich das nördliche Array auf „niedrigere“ Energien und Quellen außerhalb der Galaxie konzentriert und das südliche Array auf das gesamte Spektrum von Energien und Quellen in der Galaxie. Insgesamt sind derzeit 32 Länder an diesem fast 300 Millionen US-Dollar teuren Projekt beteiligt. Am Standort Paranal-Armazones in der chilenischen Atacama-Wüste beherbergt die ESO die meisten Gerichte.

Ein Künstlerkonzept für die Konzeption des Cherenkov Telescope Arrays. Bildnachweis: G. Pérez, IAC.

Wenn Sie Partikel so fangen möchten, wie sie waren, bevor sie die Erde erreichten, müssen Sie in den Weltraum gehen, um sie zu sehen. Aber das ist teuer. Das Fermi-Gammastrahlenteleskop (das einzelne hochenergetische Photonen und keine kosmischen Strahlen direkt detektiert) kostete insgesamt rund 690 Millionen US-Dollar. Für weniger als die Hälfte dieser Kosten können Sie die Partikel auffangen, die durch kosmische Strahlung entstehen, die an mehr als 100 Orten auf der ganzen Welt auf die Atmosphäre trifft. All dies liegt daran, dass wir die Physik von Partikeln verstehen, die sich schneller als Licht durch die Atmosphäre bewegen. Zu den wissenschaftlichen Perspektiven zählen darüber hinaus das Verständnis der Herkunft relativistischer kosmischer Teilchen, der Beschleunigungsmechanismen um Neutronensterne und Schwarze Löcher sowie die Verbesserung der astrophysikalischen Suche nach dunkler Materie. Sie werden vielleicht nie gegen Einsteins Gesetze verstoßen, aber es könnte eine noch bessere Lösung sein, die Tricks herauszufinden, um ihre Feinheiten auszunutzen!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!