Физика астрономических частиц - Astroparticle physics

Физика астрофизики , называемые также астрофизики частиц , является филиалом физики элементарных частиц , которая изучает элементарные частицы астрономического происхождения и их отношение к астрофизике и космологии . Это относительно новая область исследований, возникшая на стыке физики элементарных частиц, астрономии , астрофизики, физики детекторов , теории относительности , физики твердого тела и космологии. Частично мотивированная открытием осцилляций нейтрино , эта область бурно развивалась как теоретически, так и экспериментально с начала 2000-х годов.

История

Физика астрономических частиц возникла из оптической астрономии. С развитием технологии детекторов пришла более зрелая астрофизика, которая включала в себя множество физических подразделов, таких как механика , электродинамика , термодинамика , физика плазмы , ядерная физика , теория относительности и физика элементарных частиц. Физики элементарных частиц сочли астрофизику необходимой из-за трудности получения частиц с энергией, сравнимой с теми, которые обнаруживаются в космосе. Например, спектр космических лучей содержит частицы с энергией до 10 20   эВ , где протон-протонное столкновение на Большом адронном коллайдере происходит при энергии ~ 10 12  эВ.

Можно сказать, что это поле началось в 1910 году, когда немецкий физик Теодор Вульф измерил ионизацию воздуха, индикатор гамма-излучения, внизу и вверху Эйфелевой башни . Он обнаружил, что наверху было гораздо больше ионизации, чем ожидалось, если бы это излучение было связано только с земными источниками.

Австрийский физик Виктор Франсис Гесс выдвинул гипотезу, что часть ионизации была вызвана радиацией с неба. Чтобы защитить эту гипотезу, Гесс разработал инструменты, способные работать на больших высотах, и выполнил наблюдения ионизации на высоте до 5,3 км. С 1911 по 1913 год Гесс совершил десять полетов, чтобы тщательно измерить уровни ионизации. Согласно предварительным расчетам, он не ожидал, что будет ионизация на высоте более 500 м, если только земные источники являются единственной причиной радиации. Однако его измерения показали, что, хотя уровни ионизации сначала уменьшались с высотой, в какой-то момент они начали резко возрастать. На пике своих полетов он обнаружил, что уровни ионизации были намного выше, чем на поверхности. Затем Гесс пришел к выводу, что «излучение очень высокой проникающей способности проникает в нашу атмосферу сверху». Кроме того, один из полетов Гесса был во время почти полного затмения Солнца. Поскольку он не наблюдал падения уровней ионизации, Гесс решил, что источник должен находиться подальше в космосе. За это открытие Гесс был одним из тех, кто получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году. В 1925 году Роберт Милликен подтвердил открытия Гесса и впоследствии ввел термин « космические лучи ».

Многие физики, осведомленные о происхождении области физики астрономических частиц, предпочитают считать это «открытие» Гессом космических лучей отправной точкой для этой области.

Темы исследований

Хотя может быть трудно принять решение о стандартном «учебном» описании области физики астрономических частиц, эту область можно охарактеризовать по темам исследований, которые активно исследуются. Журнал Astroparticle Physics принимает статьи, посвященные новым разработкам в следующих областях:

Открытые вопросы

Одна из главных задач для будущего этой области - просто полностью определить себя помимо рабочих определений и четко отделить себя от астрофизики и других связанных тем.

Текущие нерешенные проблемы в области физики астрономических частиц включают характеристику темной материи и темной энергии . Наблюдения за орбитальными скоростями звезд в Млечном Пути и других галактиках, начиная с Вальтера Бааде и Фрица Цвикки в 1930-х годах, наряду с наблюдаемыми скоростями галактик в скоплениях галактик, обнаружили движение, намного превышающее плотность энергии видимой материи, необходимую для учета их динамика. С начала девяностых годов были найдены некоторые кандидаты для частичного объяснения некоторой отсутствующей темной материи, но их далеко недостаточно, чтобы предложить полное объяснение. Обнаружение ускоряющейся Вселенной предполагает, что большая часть отсутствующей темной материи хранится в виде темной энергии в динамическом вакууме.

Еще один вопрос для физиков-астрономов - почему сегодня во Вселенной намного больше материи, чем антивещества. Бариогенез - это термин, обозначающий гипотетические процессы, которые произвели неравное количество барионов и антибарионов в ранней Вселенной, поэтому Вселенная сегодня состоит из материи, а не из антивещества.

Экспериментальные установки

Быстрое развитие этой области привело к созданию новых типов инфраструктуры. В подземных лабораториях или с помощью специально разработанных телескопов, антенн и спутниковых экспериментов физики-астрономы используют новые методы обнаружения для наблюдения за широким спектром космических частиц, включая нейтрино, гамма-лучи и космические лучи самых высоких энергий. Они также ищут темную материю и гравитационные волны . Физики-экспериментаторы ограничены технологией своих наземных ускорителей, которые способны производить лишь небольшую часть энергии, обнаруживаемой в природе.

Оборудование, эксперименты и лаборатории, связанные с физикой астрономических частиц, включают:

  • IceCube ( Антарктида ). Самый длинный детектор частиц в мире был завершен в декабре 2010 года. Цель детектора - исследовать нейтрино высоких энергий, искать темную материю, наблюдать взрывы сверхновых и искать экзотические частицы, такие как магнитные монополи.
  • АНТАРЕС (телескоп) . ( Тулон , Франция ). Детектор нейтрино в 2,5 км под Средиземным морем у побережья Тулона, Франция. Предназначен для обнаружения и наблюдения потока нейтрино в направлении южного полушария.
  • XENONnT, усовершенствованная версия XENON1T , представляет собой эксперимент по прямому поиску темной материи, расположенный в национальных лабораториях Гран-Сассо, и будет чувствителен к вимпам с поперечным сечением SI 10 -48 см 2 .
  • BOREXINO , детектор реального времени, установленный в Laboratori Nazionali del Gran Sasso , предназначен для обнаружения нейтрино от Солнца с помощью органической жидкой сцинтилляционной мишени.
  • Обсерватория Пьера Оже ( Маларгуэ , Аргентина ). Обнаруживает и исследует космические лучи высоких энергий с помощью двух методов. Один из них - изучить взаимодействие частиц с водой, помещенной в резервуары для поверхностных детекторов. Другой метод заключается в отслеживании развития атмосферных ливней путем наблюдения за ультрафиолетовым светом, излучаемым высоко в атмосфере Земли.
  • CERN Axion Solar Telescope (ЦЕРН, Швейцария). Поиски аксионов, происходящих от Солнца.
  • НЕСТОР Проект ( Пилос , Греция ). Целью международного сотрудничества является размещение нейтринного телескопа на морском дне у Пилоса, Греция.
  • Обсерватория Камиока - это лаборатория нейтринных и гравитационных волн, расположенная под землей в шахте Мозуми недалеко от района Камиока города Хида в префектуре Гифу, Япония.
  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso - это лаборатория, в которой проводятся эксперименты, в которых требуется низкий уровень шума. Расположен в горах Гран-Сассо , недалеко от города Л'Акуила (Италия). Его экспериментальные залы покрыты 1400-метровой скалой, которая защищает эксперименты от космических лучей.
  • СНОЛАБ
  • Европейская сеть астрочастиц Aspera. Создана в июле 2006 г. и отвечает за координацию и финансирование национальных исследований в области физики астробчастиц.
  • Telescope Array Project ( Delta, Utah ) Эксперимент по обнаружению космических лучей сверхвысокой энергии (UHECR) с использованием наземных массивов и флуоресцентных методов в пустыне на западе штата Юта.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки