Tajemné částice z kosmu, co mohou změnit současnou fyziku

Často se říká, že částicová fyzika už vyřešila všechny své otázky, leč není tomu tak. Jeden takový příklad zveřejnil na konci minulého roku asi nejznámější vědecký časopis - Science. Pro nadšence přikládám odkaz i na arXiv, kde si může přečíst článek každý i bez přístupu do samotného časopisu. Každopádně my se podíváme na daný objev spíše v širším kontextu. Opět budeme odpovídat na otázky co?, jak? a proč?

Jménem japonské bohyně Slunce Amaterasu se označuje nedávno zveřejněné měření kosmického záření, jehož energie řádově desetmilionkrát přesáhla energii, které jsme schopni dosáhnout na současných urychlovačích. Je známá řada podobných měření kosmických částic, byť s menší energií. Ta je však pro význam objevu dosti zásadní, jak budeme diskutovat níže. Amaterasu je s energií 244 exa-elektronvoltů (EeV) druhou nejenergetičtější částicí, s níž se lidstvo setkalo. Pokud vám taková jednotka nic neříká, nebojte. Pro mainstreamovou částicovou fyziku se jedná o tak extrémní hodnoty, že jsme s kolegy neměli ponětí kolik přesně to je, kromě toho, že hodně.

Je to tak hodně, že dokonce můžeme přejít do makroskopických jednotek! Ano, budeme užívat jouly. Konkrétně Amaterasu vlétla do atmosféry s energií 40 joulů. Jedna jediná částice. Pro porovnání, nejvýkonnější současný urychlovač, Velký hadronový urychlovač (LHC) zvládne předat částicím energii, kterou má letící komár. Amaterasu oproti tomu měla energii cihly upuštěné z výšky jednoho metru. Případně si pro představu upusťte na nohu cokoliv jiného, třeba 1,5-litrovou lahev s vodou z výšky tří metrů a následně aplikujte středoškolský vzorec pro potenciální energii E = výška v metrech * hmotnost v kilogramech * 9.81 (grav. zrychlení). Závaží a dráhu volte dle gusta, pokud vám energie pořád vyjde 40 J.

Dostat ránu cihlou či PET lahví z výše popsaných výšek bez diskuse nebylo příjemné. Naštěstí planeta Země má gigantickou plochu. Je nepravděpodobné, že by se do vás či detektoru taková částice trefila. No jo, ale co kdyby přece? Naštěstí pro naše hlavy i fyziky toužící po dalším zdroji poznání má naše planeta kromě velké plochy i poměrně robustní atmosféru. Meteorit, kosmická loď, stejně jako tajemná vysokoenergetická částice s ní musí nevyhnutelně interagovat. Kosmická loď i meteorit se začnou ohřívat, jak do jejich povrchu naráží miniaturní molekuly atmosféry. Ovšem pro jednu jedinou částici, byť s vysokou energií, jsou molekuly zápasníci stejné váhového kategorie. Při průletu atmosférou tak prvotní kosmická částice postupně ztrácí energii a současně s sebou strhává částice tvořící atmosféru. A všechny tyto částice narážejí do nižších a nižších vrstev atmosféry, přičemž se opět zpomalují, ale strhávají další částice z atmosféry. Průměrná energie proudu částic letících k Zemi klesá, ale jejich počet roste. Celková energie se zachovává. Z jedné vysokoenergetické počáteční částice se stává kužel pomalejších, ale stále dosti rychlých částic dopadajících na zemský povrch.

Takovému kuželu se říká sprška částic a při kontaktu s povrchem Země může pokrýt proudem částic kilometry čtvereční plochy. Přesně takovou spršku ilustruje úvodní obrázek.

Jelikož chceme zachytit co nejvíce spršek a současně je i změřit v celé jejich šíři, musí být detektorová pole obrovská v ploše. Odhaduje se, že na kilometr čtvereční dopadne částice o energii nad 100 EeV jednou za století! Proto například The Telescope Array experiment, který detekoval Amaterasu, pokrývá plochu 700 kilometrů čtverečních. Pole je tvořeno 507 detektory rozmístěnými ve čtvercové mřížce o hraně 1,2 kilometru. Každý detektor se pak skládá z dvojice desek o ploše 3 metrů čtverečních tzv. scintilátoru - materiálu měnícího ionizující záření na světlo, které následně sebere fotodioda. Volba scintilátoru jakožto detektoru není náhodná, jedná se o velmi rychlý detektor. Rychlé vyčítání je nutností, například v případě Amaterasu prošla sprška detektorovým polem během 20 mikrosekund. Ze signálů detekovaných v krátkém časovém okně rekonstruujeme představu o spršce. Krok za krokem jdeme proti toku času. A nakonec získáme primární částici a její vlastnosti, třeba právě energii. Můžete si to představit jako, když se člověk dívá na přetočený záznam laviny.

Z původního článku jsem vybral níže přiložené znázornění měření Amaterasu. Vidíme na něm jednak celé pole detektorů a spršku, která zasáhla jeho okraj. Velikost bodů znázorňuje detekovaný počet částic spršky. Barva - od modré po červenou - pak dobu příletu částic od prvního záznamu signálu. Z toho lze s trochou představivosti usoudit, že kužel spršky byl skloněn. A tedy částice nepřiletěla kolmo na povrch, ale pod úhlem ze směru první detekce. Zrekonstruovaný kužel spršky vymezuje část oblohy, a tedy i vesmíru, odkud částice přiletěla.

Chceme-li popsat sílu relativistických efektů jedním číslem, sáhneme po tzv. Lorentzově faktoru, který říká, kolikrát je energie částice větší než její klidová hmotnost. Leč pro Amaterasu je i Lorentzův faktor nepředstavitelně velký. Kdyby Amaterasu vyletěla ze stejného místo současně s fotonem, trvalo by okolo 160 000 let, než by foton světla utekl Amaterasu o pouhý jeden centimetr! Co víc, Lorentzův faktor je i míra dilatace času. Během 160 000 let, po které bychom pozorovali onen kosmický maraton, by na hodinkách Amaterasu uplynulo 20 sekund. Dobrá, to byla řeč čísel, velkých čísel, ale fyzika neohromí číslo jen proto, že je velké. To by mu stačilo třeba Avogadrovo číslo. Fyzika zajímá, jak se svět mění – dynamika! Způsobuje vysoká energie Amaterasu nějakou principiálně změnu jejího chování mimo relativistických efektů? Právě, že ano!

Zájemci o vesmír jistě ví, že ve vesmíru existují fotony známé jako kosmické mikrovlnné pozadí, někdy též reliktní záření. Vzniklo v době, kdy vesmír vlivem rozpínání vychladl natolik, že ho přestalo tvořit plazma. V plazmatu existují elektrony volně mimo obaly jader. Při průletu plazmatem foton interaguje s elektrony a procestuje ho až po velké řadě odrazů na elektronech. Jako míček při pinballu. Právě proto není skrze plazma vidět, stejně tak naším vesmírem nebylo v jeho počátcích vidět. Ve chvíli, kdy plazma ochladlo, došlo k záblesku. Budiž světlo! A budiž vesmír průhledný! Ono prvotní záření bylo vlastně zářením absolutně černého tělesa (tzn. dané teplotou tělesa - vysvětluji to v rychlokurzu spektroskopie). Stejně jako vesmír se reliktní záření roztahovalo a chladlo, a dnes má podobu mikrovln. Proto ho na noční obloze očima nevidíme, ač tam pořád je.

Reliktní záření je zásadním zdrojem našich informací o původu a vývoji vesmíru. Po jeho objevu v 60. letech minulého století si pánové Greisen, Zatsepin a Kuzmin (GZK) uvědomili zajímavou myšlenku. Pokud by vesmírem letěl proton o opravdu vysoké energii, bude s reliktním zářením interagovat a zpomalovat se o něj skrze částicovou reakci, při které vzniká těžší bratříček protonu zvaný delta rezonance. Přírůstek hmotnosti vznikne právě z obří energie, kterou si proton nese a  reliktní foton pak slouží pouze jako jakýsi spouštěč reakce. Nejmenší energie protonu, která stačí ke vzniku delta rezonance popsaným způsobem je 60 EeV. Vlivem interakcí s reliktním pozadím budou částice jako Amaterasu zpomalovány, dokud jejich energie klesne pod prahovou energii reakce. Dalo by se říct, že pro takto extrémně energetické protony bude vesmír vlastně neprůhledný. Až na to, že my pozorujeme částici vysoko nad tímto energetických limitem. To je ta záhada!

Analogicky leze brát GZK limit i jako sféru okolo Země, zpoza které k nám už nemůže žádná vysokoenergetická částice doletět, protože zabrzdí dřív, než se k nám dostane. Ale uvnitř sféry okolo Země můžeme vidět dobržďující částice s energií nad 60 EeV. Do oné sféry se dobře vejde naše vesmírné sousedství, tzv. Místní nadkupa galaxií (Local Supercluster). Průměr sféry činí asi 160 milionů světelných let. Potenciálním zdrojem urychlovaných protonů by mohlo být naše vlastní galaktické jádro či jádro jiné aktivní galaxie v Místní nadkupě. Jenže nezapomínejme, že doby detekce na jednotlivých detektorech nám poskytují i informaci o směru zdroje částice. Kombinace směru zdroje Amaterasu a velikosti GZK sféry vymezuje oblast, kde se žádné aktivní jádro ani jiný možný zdroj podobných částic nenachází. Oblast, které příznačně říkáme Místní prázdnota (Local void)…

Možná vysvětlení měření jsou:

Sám originální článek končí stroze konstatováním, že směr příletu Amaterasu se neshoduje s žádným známým vesmírným objektem, který by mohl být zdrojem vysokoenergetických částic, a to ani při započítání vlivů galaktického magnetického pole za různých scénářů. Současně konstatuje, že další detekované částice s energií nad 100 EeV nevykazují podobný směr zdroje.

Kritický čtenář by namítl, že celý článek pracuji s předpokladem, že tyto částice jsou protony. Co když by se jednalo o stabilní jádra prvků? Šlo by namítnout, že protony tvoří 92 % jader ve vesmíru, leč to je jen těžko uspokojivé vysvětlení v kontextu záhady, která před námi stojí. Naopak jsem dohledal paper (opět na arXivu) ukazující, že ač se GZK limit zvětšuje úměrně hmotnosti jader, další jaderné procesy zapříčiní i pro tato jádra existenci limitu okolo 60 EeV.

Ať už jsou to nakonec protony, či lehká jádra (zastoupení jader ve vesmíru klesá s atomovým číslem), můžeme se pokusit lépe porozumět interakci částic s atmosférou pomocí jiných experimentů, a tím zpřesnit i toto měření. Zemská atmosféra se z 20 % skládá z kyslíku a z 80 % z dusíku ležícího hned vedle v periodické tabulce, proto lze z hlediska interakce s kosmickým zářením atmosféru dobře považovat za čistě kyslíkovou. Stačí nám tedy srážet protony s kyslíky a/nebo kyslíky s kyslíky při co nejvyšších energiích. Právě takové srážky plánujeme zkoumat v rámci těžkoiontové skupiny na experimentu ATLAS již v příštím roce! Motivace je přirozeně širší – především zkoumat systémy střední velikosti, tzn. systémy kyslíků majících v součtu 32 nukleonů (proton+neutron), kdežto proton-protonová srážka obsahuje nukleony dva a srážka olovo-olovo jich může mít až ke čtyřem stovkám.