Αστροσωματιδιακή φυσική
αγγλικά : Astroparticle physics
γαλλικά :
γερμανικά :
Η αστροσωματική φυσική, που ονομάζεται επίσης σωματιδιακή αστροφυσική, είναι ένας κλάδος της σωματιδιακής φυσικής που μελετά τα στοιχειώδη σωματίδια αστρονομικής προέλευσης και τη σχέση τους με την αστροφυσική και την κοσμολογία. Είναι ένα σχετικά νέο πεδίο έρευνας που αναδύεται στη διασταύρωση της σωματιδιακής φυσικής, της αστρονομίας, της αστροφυσικής, της φυσικής του ανιχνευτή, της σχετικότητας, της φυσικής στερεάς κατάστασης και της κοσμολογίας. Εν μέρει με την ανακάλυψη της ταλάντωσης των νετρίνων, το πεδίο έχει υποστεί ταχεία ανάπτυξη, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά, από τις αρχές της δεκαετίας του 2000. [1]
Ιστορία
Το πεδίο της φυσικής των σωματιδίων εξελίσσεται από την οπτική αστρονομία. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ανιχνευτή ήρθε η πιο ώριμη αστροφυσική, η οποία περιελάμβανε πολλαπλά υποθέματα φυσικής, όπως μηχανική, ηλεκτροδυναμική, θερμοδυναμική, φυσική πλάσματος, πυρηνική φυσική, σχετικότητα και φυσική σωματιδίων. Οι φυσικοί σωματιδίων έκριναν απαραίτητη την αστροφυσική λόγω δυσκολίας στην παραγωγή σωματιδίων με παρόμοια ενέργεια με εκείνα που βρέθηκαν στο διάστημα. Για παράδειγμα, το φάσμα κοσμικών ακτίνων περιέχει σωματίδια με ενέργειες τόσο υψηλές όσο 1020 eV, όπου μια σύγκρουση πρωτονίων-πρωτονίων στο Large Hadron Collider συμβαίνει σε ενέργεια ~ 1012 eV.
Το πεδίο λέγεται ότι ξεκίνησε το 1910, όταν ένας Γερμανός φυσικός με το όνομα Theodor Wulf μέτρησε τον ιονισμό στον αέρα, δείκτης ακτινοβολίας γάμμα, στο κάτω μέρος και στην κορυφή του Πύργου του Άιφελ. Διαπίστωσε ότι υπήρχε πολύ περισσότερος ιονισμός στην κορυφή από ό, τι αναμενόταν εάν αποδόθηκαν μόνο επίγεια πηγές για αυτήν την ακτινοβολία. [2]
Ο Αυστριακός φυσικός Βίκτωρ Φράνσις Ές υπέθεσε ότι μέρος του ιονισμού προκλήθηκε από ακτινοβολία από τον ουρανό. Προκειμένου να υπερασπιστεί αυτήν την υπόθεση, ο Hess σχεδίασε όργανα ικανά να λειτουργούν σε μεγάλα υψόμετρα και πραγματοποίησε παρατηρήσεις σχετικά με τον ιονισμό σε υψόμετρο 5,3 km. Από το 1911 έως το 1913, ο Ές έκανε δέκα πτήσεις για να μετρήσει σχολαστικά τα επίπεδα ιονισμού. Μέσω προηγούμενων υπολογισμών, δεν περίμενε να υπάρξει ιονισμός σε υψόμετρο 500 μέτρων εάν οι επίγειες πηγές ήταν η μόνη αιτία ακτινοβολίας. Ωστόσο, οι μετρήσεις του αποκάλυψαν ότι αν και τα επίπεδα ιονισμού αρχικά μειώθηκαν με το υψόμετρο, άρχισαν να αυξάνονται απότομα σε κάποιο σημείο. Στις κορυφές των πτήσεων του, διαπίστωσε ότι τα επίπεδα ιονισμού ήταν πολύ μεγαλύτερα από ό, τι στην επιφάνεια. Ο Ές κατάφερε τότε να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι «μια ακτινοβολία πολύ υψηλής διεισδυτικής δύναμης εισέρχεται στην ατμόσφαιρά μας από ψηλά». Επιπλέον, μία από τις πτήσεις της Ές ήταν κατά τη διάρκεια σχεδόν σχεδόν έκλειψης του Ήλιου. Επειδή δεν παρατηρούσε πτώση στα επίπεδα ιονισμού, ο Ές υποστήριξε ότι η πηγή έπρεπε να βρίσκεται πιο μακριά στο διάστημα. Για αυτήν την ανακάλυψη, ο Ές ήταν ένας από τους ανθρώπους που απονεμήθηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936. Το 1925, ο Ρόμπερτ Μίλικα επιβεβαίωσε τα ευρήματα του Έσση και στη συνέχεια επινόησε τον όρο «κοσμικές ακτίνες». [3]
Πολλοί φυσικοί που γνωρίζουν την προέλευση του πεδίου της αστροσωματικής φυσικής προτιμούν να αποδώσουν αυτή την «ανακάλυψη» κοσμικών ακτίνων από τον Ές ως αφετηρία για το πεδίο. [4]
Θέματα έρευνας
Το περιοδικό Astroparticle Physics δέχεται εργασίες που εστιάζονται σε νέες εξελίξεις στους ακόλουθους τομείς: [5]
Φυσική κοσμικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας και αστροφυσική.
Κοσμολογία σωματιδίων;
Αστροφυσική σωματιδίων
Σχετική αστροφυσική: Supernova, Active Galactic Nuclei, Cosmic Abundances, Dark Matter κ.λπ.
Αστρονομία ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας, VHE και UHE.
Αστρονομία νετρίνων υψηλής και χαμηλής ενέργειας.
Εξελίξεις οργάνων και ανιχνευτών που σχετίζονται με τα προαναφερθέντα πεδία.
Ανοιχτές ερωτήσεις
Ένα βασικό καθήκον για το μέλλον του πεδίου είναι απλώς να προσδιοριστεί διεξοδικά πέρα από τους ορισμούς εργασίας και να ξεχωρίσει σαφώς από την αστροφυσική και άλλα σχετικά θέματα. [4]
Τα τρέχοντα άλυτα προβλήματα για τον τομέα της φυσικής των αστροσωματιδίων περιλαμβάνουν τον χαρακτηρισμό της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Παρατηρήσεις της τροχιακής ταχύτητας των άστρων στον Γαλαξία και άλλων γαλαξιών που ξεκινούν με τον Walter Baade και τον Fritz Zwicky τη δεκαετία του 1930, μαζί με τις παρατηρούμενες ταχύτητες των γαλαξιών σε γαλαξιακές συστάδες, διαπίστωσαν ότι η κίνηση υπερβαίνει κατά πολύ την ενεργειακή πυκνότητα της ορατής ύλης που απαιτείται για να ληφθεί υπόψη τη δυναμική τους. Από τις αρχές της δεκαετίας του '90, ορισμένοι υποψήφιοι έχουν βρεθεί να εξηγούν εν μέρει μερικές από τις σκοτεινές ύλες που λείπουν, αλλά πουθενά δεν επαρκούν για να προσφέρουν πλήρη εξήγηση. Το εύρημα ενός επιταχυνόμενου σύμπαντος υποδηλώνει ότι ένα μεγάλο μέρος της σκοτεινής ύλης που λείπει αποθηκεύεται ως σκοτεινή ενέργεια σε ένα δυναμικό κενό. [6]
3489/5000
Character limit: 5000
Μια άλλη ερώτηση για τους φυσικούς αστροσωματιδίων είναι γιατί υπάρχει πολύ περισσότερη ύλη από την αντιύλη στο σύμπαν σήμερα. Η βαρυογένεση είναι ο όρος για τις υποθετικές διεργασίες που παρήγαγαν τους άνισους αριθμούς των βαρυονίων και των αντιβαρυονίων στο πρώιμο σύμπαν, γι 'αυτό το σύμπαν αποτελείται από ύλη σήμερα και όχι αντιύλη. [6]
Πειραματικές εγκαταστάσεις
Η ταχεία ανάπτυξη αυτού του πεδίου οδήγησε στο σχεδιασμό νέων τύπων υποδομής. Σε υπόγεια εργαστήρια ή με ειδικά σχεδιασμένα τηλεσκόπια, κεραίες και δορυφορικά πειράματα, οι φυσικοί αστροσωματιδίων χρησιμοποιούν νέες μεθόδους ανίχνευσης για να παρατηρήσουν ένα ευρύ φάσμα κοσμικών σωματιδίων όπως νετρίνα, ακτίνες γάμμα και κοσμικές ακτίνες στις υψηλότερες ενέργειες. Ψάχνουν επίσης για σκοτεινή ύλη και βαρυτικά κύματα. Οι πειραματικοί φυσικοί σωματιδίων περιορίζονται από την τεχνολογία των επίγειων επιταχυντών τους, οι οποίοι είναι σε θέση να παράγουν μόνο ένα μικρό κλάσμα των ενεργειών που βρίσκονται στη φύση.
Οι εγκαταστάσεις, τα πειράματα και τα εργαστήρια που ασχολούνται με τη φυσική των σωματιδίων περιλαμβάνουν:
IceCube (Ανταρκτική). Ο μακρύτερος ανιχνευτής σωματιδίων στον κόσμο, ολοκληρώθηκε τον Δεκέμβριο του 2010. Ο σκοπός του ανιχνευτή είναι να διερευνήσει τα νετρίνα υψηλής ενέργειας, να αναζητήσει σκοτεινή ύλη, να παρατηρήσει εκρήξεις σουπερνόβων και να αναζητήσει εξωτικά σωματίδια όπως μαγνητικά μονοπόλια. [7]
ANTARES (τηλεσκόπιο). (Τουλόν, Γαλλία). Ένας ανιχνευτής νετρίνων 2,5 χλμ. Κάτω από τη Μεσόγειο Θάλασσα στα ανοικτά των ακτών του Τουλόν της Γαλλίας. Σχεδιασμένο για να εντοπίζει και να παρατηρεί ροή νετρίνων προς την κατεύθυνση του νότιου ημισφαιρίου.
Το XENONnT, η αναβάθμιση του XENON1T, είναι ένα πείραμα άμεσης αναζήτησης σκοτεινής ύλης που βρίσκεται στα Εθνικά Εργαστήρια Gran Sasso και θα είναι ευαίσθητο σε WIMPs με διατομή SI 10−48 cm2.
Το BOREXINO, ένας ανιχνευτής πραγματικού χρόνου, εγκατεστημένος στο Laboratori Nazionali del Gran Sasso, σχεδιασμένος για να ανιχνεύει νετρίνα από τον Ήλιο με στόχο οργανικό υγρό σπινθηριστή. [8]
Παρατηρητήριο Pierre Auger (Malargüe, Αργεντινή). Ανιχνεύει και διερευνά κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας χρησιμοποιώντας δύο τεχνικές. Το ένα είναι να μελετήσουμε τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων με νερό τοποθετημένο σε δεξαμενές ανιχνευτή επιφάνειας. Η άλλη τεχνική είναι να παρακολουθείτε την ανάπτυξη των ντους αέρα μέσω της παρατήρησης του υπεριώδους φωτός που εκπέμπεται ψηλά στην ατμόσφαιρα της Γης. [9]
CERN Axion Solar Telescope (CERN, Ελβετία). Αναζητά αξονίσματα που προέρχονται από τον Ήλιο.
Έργο NESTOR (Πύλος, Ελλάδα). Στόχος της διεθνούς συνεργασίας είναι η ανάπτυξη ενός τηλεσκοπίου νετρίνων στον πυθμένα της θάλασσας της Πύλου.
Το Kamioka Observatory είναι ένα εργαστήριο νετρίνων και βαρυτικών κυμάτων που βρίσκεται υπόγεια στο ορυχείο Mozumi κοντά στο τμήμα Kamioka της πόλης Hida στο νομό Gifu της Ιαπωνίας.
Το Laboratori Nazionali del Gran Sasso είναι ένα εργαστήριο που φιλοξενεί πειράματα που απαιτούν περιβάλλον με χαμηλό θόρυβο. Βρίσκεται στο βουνό Gran Sasso, κοντά στο L'Aquila (Ιταλία). Οι πειραματικές αίθουσες του καλύπτονται από 1400 μέτρα βράχου, το οποίο προστατεύει τα πειράματα από κοσμικές ακτίνες.
SNOLAB
Aspera European Astroparticle network Ξεκίνησε τον Ιούλιο του 2006 και είναι υπεύθυνο για το συντονισμό και τη χρηματοδότηση των εθνικών ερευνητικών προσπαθειών στο Astroparticle Physics.
Telescope Array Project (Delta, Utah) Ένα πείραμα για την ανίχνευση κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας (UHECRs) χρησιμοποιώντας μια γείωση και τεχνικές φθορισμού στην έρημο της δυτικής Γιούτα.
Δείτε επίσης
Astroparticle Physics (περιοδικό)
Διαδικασία Urca
Ανεπίλυτα προβλήματα στη φυσική
Mia álli erótisi gia tous fysikoús astrosomatidíon eínai giatí ypárchei polý perissóteri ýli apó tin antívli sto sýmpan símera. I varyogénesi eínai o óros gia tis ypothetikés diergasíes pou parígagan tous ánisous arithmoús ton varyoníon kai ton antivaryoníon sto próimo sýmpan, gi 'aftó to sýmpan apoteleítai apó ýli símera kai óchi antívli. [6]
Peiramatikés enkatastáseis
I tacheía anáptyxi aftoú tou pedíou odígise sto schediasmó néon týpon ypodomís. Se ypógeia ergastíria í me eidiká schediasména tileskópia, keraíes kai doryforiká peirámata, oi fysikoí astrosomatidíon chrisimopoioún nées methódous aníchnefsis gia na paratirísoun éna evrý fásma kosmikón somatidíon ópos netrína, aktínes gámma kai kosmikés aktínes stis ypsilóteres enérgeies. Psáchnoun epísis gia skoteiní ýli kai varytiká kýmata. Oi peiramatikoí fysikoí somatidíon periorízontai apó tin technología ton epígeion epitachyntón tous, oi opoíoi eínai se thési na parágoun móno éna mikró klásma ton energeión pou vrískontai sti fýsi.
Oi enkatastáseis, ta peirámata kai ta ergastíria pou ascholoúntai me ti fysikí ton somatidíon perilamvánoun:
IceCube (Antarktikí). O makrýteros anichneftís somatidíon ston kósmo, olokliróthike ton Dekémvrio tou 2010. O skopós tou anichneftí eínai na dierevnísei ta netrína ypsilís enérgeias, na anazitísei skoteiní ýli, na paratirísei ekríxeis soupernóvon kai na anazitísei exotiká somatídia ópos magnitiká monopólia. [7]
ANTARES (tileskópio). (Toulón, Gallía). Énas anichneftís Neutrino 2,5 chlm. Káto apó ti Mesógeio Thálassa sta anoiktá ton aktón tou Toulón tis Gallías. Schediasméno gia na entopízei kai na paratireí roí netrínon pros tin katéfthynsi tou nótiou imisfairíou.
To XENONnT, i anaváthmisi tou XENON1T, eínai éna peírama ámesis anazítisis skoteinís ýlis pou vrísketai sta Ethniká Ergastíria Gran Sasso kai tha eínai evaísthito se WIMPs me diatomí SI 10−48 cm2.
To BOREXINO, énas anichneftís pragmatikoú chrónou, enkatestiménos sto Laboratori Nazionali del Gran Sasso, schediasménos gia na anichnévei netrína apó ton Ílio me stócho organikó ygró spinthiristí. [8]
Paratiritírio Pierre Auger (Malargüe, Argentiní). Anichnévei kai dierevná kosmikés aktínes ypsilís enérgeias chrisimopoióntas dýo technikés. To éna eínai na meletísoume tis allilepidráseis somatidíon me neró topothetiméno se dexamenés anichneftí epifáneias. I álli technikí eínai na parakoloutheíte tin anáptyxi ton ntous aéra méso tis paratírisis tou yperiódous fotós pou ekpémpetai psilá stin atmósfaira tis Gis. [9]
CERN Axion Solar Telescope (CERN, Elvetía). Anazitá axonísmata pou proérchontai apó ton Ílio.
Érgo NESTOR (Pýlos, Elláda). Stóchos tis diethnoús synergasías eínai i anáptyxi enós tileskopíou netríno ston pythména tis thálassas tis Pýlou.
To Kamioka Observatory eínai éna ergastírio netrínon kai varytikón kymáton pou vrísketai ypógeia sto orycheío Mozumi kontá sto tmíma Kamioka tis pólis Hida sto nomó Gifu tis Iaponías.
To Laboratori Nazionali del Gran Sasso eínai éna ergastírio pou filoxeneí peirámata pou apaitoún perivállon me chamiló thóryvo. Vrísketai sto vounó Gran Sasso, kontá sto L'Aquila (Italía). Oi peiramatikés aíthouses tou kalýptontai apó 1400 métra vráchou, to opoío prostatévei ta peirámata apó kosmikés aktínes.
SNOLAB
Aspera European Astroparticle network Xekínise ton Ioúlio tou 2006 kai eínai ypéfthyno gia to syntonismó kai ti chrimatodótisi ton ethnikón erevnitikón prospatheión sto Astroparticle Physics.
Telescope Array Project (Delta, Utah) Éna peírama gia tin aníchnefsi kosmikón aktínon exairetiká ypsilís enérgeias (UHECRs) chrisimopoióntas mia geíosi kai technikés fthorismoú stin érimo tis dytikís Gioúta.
Deíte epísis
Astroparticle Physics (periodikó)
Diadikasía Urca
Anepílyta provlímata sti fysikí
References
De Angelis, Alessandro; Pimenta, Mario (2018). Introduction to particle and astroparticle physics (multimessenger astronomy and its particle physics foundations). Springer. doi:10.1007/978-3-319-78181-5. ISBN 978-3-319-78181-5.
Longair, M. S. (1981). High energy astrophysics. Cambridge, UK: Cambridge University Press. p. 11. ISBN 978-0-521-23513-6.
"April 17, 1912: Victor Hess's balloon flight during total eclipse to measure cosmic rays". Retrieved 2013-09-18.
Cirkel-Bartelt, Vanessa (2008). "History of Astroparticle Physics and its Components". Living Reviews in Relativity. Max Planck Institute for Gravitational Physics. 11 (2): 7. Bibcode:2008LRR....11....7F. doi:10.12942/lrr-2008-7. PMC 5256108. PMID 28179823. Retrieved 23 January 2013.
Astroparticle Physics. Retrieved 2013-09-18.
Grupen, Claus (2005). Astroparticle Physics. Springer. ISBN 978-3-540-25312-9.
"Archived copy". Archived from the original on 2013-01-23. Retrieved 2013-01-24.
http://borex.lngs.infn.it Archived 2012-07-23 at the Wayback Machine
"Home". Archived from the original on 2013-05-06. Retrieved 2013-04-29.
Perkins, D.H. (2009). Particle Astrophysics (2nd ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-954546-9.
Hellenica World - Scientific Library
Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License
