Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Kövesi-Domokos Zsuzsa
Department of Physics and Astronomy
The Johns Hopkins University
Baltimore, USA
A cikk első része1 leírta az extrém energiájú kiterjedt légizáporok alapvető tulajdonságait és a detektálás két fontos módszerét felszíni zápor- és fluoreszcens detektorokkal. A fluoreszcens detektorok és a hibrid (kombinált felszíni zápor- és fluoreszcens) detektorok jelentősek mind a primér részecske azonosításában, mind az energiabecslés javításában. Hangsúlyoztuk az extrém energiájú kozmikus sugárzás jelentőségét a részecskefizikai kutatásban, minthogy ez az energiatartomány még a legnagyobb működő gyorsítóval (LHC) sem érhető el.
A múlt század kilencvenes éveiben, az extrém energiatartományban a fluxusadatok legnagyobb részét az AGASA-detektor adta. A spektrum legmeglepőbb két tulajdonsága az volt, hogy nem mutatta a várt GZK-levágást és még E > 1020 eV fölött is 11 záport figyeltek meg. A Fly's Eye korai adatai további 5 eseménnyel támogatták. Ezeket nevezzük anomális záporoknak. A GZK-levágás fizikájához (pion fotokeltés) semmilyen kétség sem fért, minthogy ezt a folyamatot a múlt század ötvenes évei óta laboratóriumi kontrollált körülmények között sokszor kimérték. Ebből következett, hogy vagy a GZK-gömbön belül keletkeznek a protonok, vagy a záport kezdeményező részecske akadálytalanul keresztülutazik a mikrohullámú háttérsugárzáson, de a levegőmaggal – a protonhoz hasonlóan – erősen hat kölcsön. Minthogy a csillagászok kifogytak a nagy fluxusú vagy nagy számú "extrém" forrásokból, a részecskefizikusok léptek akcióba. Két csoportba sorolhatjuk az elméleti elgondolásokat: csak a Standard Modellt használó és az azon lényegesen túllépő magyarázatokat.
A Standard Modellen túl csak azt kell feltenni, hogy a neutrínók tömeggel rendelkeznek, ami kísérletileg jól igazolt tény. A Világmindenség bármely részéről érkező extrém, E ≈ 1023–1024 eV (!) energiájú neutrínók rezonanciában keltenek egy semleges, gyenge bozont a Z0-t, amikor a neutrínó-háttérsugárzás egy neutrínójával ütköznek a GZK-gömbön belül. A Z0 bomlásból átlagosan csak 2 nukleon, de körülbelül 20 gamma-foton (több extrém energiájú is) és nagyon sok lepton keletkezik. A bomlásból származó protonok keltik az "anomális" záporokat. Ez a modell, bár nagyon takarékos az alapvető kölcsönhatási modellben, de minden másban a praktikusnak elfogadott lehetőségek határán kívüli körülményeket követel. Természetesen a döntő szót itt is csak a kísérleti-megfigyelési eredmények adhatják. Két kísérlet is sikerrel adott felső korlátot ezen rendkívüli energiájú neutrínók fluxusára. Ezek a korlátok már szinte kizárták a Z-robbanást, mint az anomális záporok forrását. Az Auger Obszervatórium és a Teleszkóprendszer eredményeiből rövidesen láthatjuk, hogy ez a folyamat lényegében nem adhat járulékot az extrém energiájú fluxushoz.
A Nagy Egyesítés Elméletek (Grand Unified Theory vagy GUT) a Standard Modell háromféle mértékinvariáns kölcsönhatását (gyenge, elektromágneses és erős) és a sokféle kvarkot, leptont próbálják egy egységes elméletté összehozni. (Emlékezzünk, hogy az első ilyenfajta egyesítés a 19. század végén az elektromos és mágneses jelenségek összekapcsolása volt Maxwell egyenleteiben. A Standard Modellben az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások egyesültek és a részecskék is családokba rendeződtek.) Közvetlenül az Ősrobbanás után a Világegyetem a GUT alapján működött: minden kölcsönhatás erőssége egyforma volt. Ahogy a Világegyetem hűlni kezdett, a kölcsönhatások erőssége szétvált. Ez az átmenet nem egyformán folyt le mindenütt és úgynevezett topológiai hibahelyek keletkeztek, amelyek metastabilak, de élettartamuk akár a Világegyetem mai korához (körülbelül 13 milliárd év) hasonlítható. A korai GUT-korszakból hasonló élettartamú nehéz maradványrészek (mc2 ≈ 1024 eV) is keletkezhettek, amelyek játszhatják egy szupernehéz sötét anyag szerepét is.
Mind a topológiai defektusok eredményeként, mind a szupernehéz sötét anyag bomlásakor végül stabil részecskék keletkeznek: protonok, gammafotonok, elektronok, pozitronok és neutrínók. Fontos megemlíteni, hogy csak körülbelül 5% a protonok száma és nagyon sok extrém és nagy energiájú gamma- részecske keletkezik. Természetesen az így keletkező protonok felelősek az "anomális" záporokért. Az új fluoreszcens- és hibriddetektor-megfigyelések nagymértékben korlátozzák a topológiai defektusok és a szupernehéz sötét anyag jelenlétét.
Az egyesített modellek még ambiciózusabb formája a gravitációt is magukba foglaló húrelméletek. Itt a részecskék szerepét egy pici rezgő húr játssza. Az egyesítés céljából szóbajöhető húrelméletek 10 vagy 11 dimenzióban definiálhatók (egy idő- és a többi térdimenzió a szokásos három helyett). Ezen kívül az energiaskála, ahol a teljes egyesítés megvalósul, a gravitációval kapcsolatos Planck-energiánál van: ≈ 1028 eV. Az 1990-es évek közepén bebizonyosodott, hogy ebben a sokdimenziós univerzumban a kölcsönhatások egyesítése sokkal alacsonyabb energián is bekövetkezhet, ha az 5 vagy 6 extra dimenzió csak véges méretű. (Például, ha van egy hosszú hengerünk, amely mondjuk a z -tengellyel párhuzamos és a keresztmetszet sugara egy fix r hossz, akkor ezt a felületet hengerkoordinátákban leírhatjuk a z-koordinátával, amely a (-∞, +∞) intervallumban változik és az azimutális szöggel, amely csak 0-tól 2π-ig terjed.) Egy ilyen húrelméletben az új fizika már (5–10) · 1013 eV energián is beköszönthet. Többek között a neutrínók kölcsönhatása is olyan erőssé válik, mint a kvarkoké. Így az extrém energiás neutrínók a látható Univerzumból akárhonnan elérhetik a Földet, mert a háttérsugárzással való kölcsönhatás tömegközépponti energiája messze az alacsony húrskála alatt van, a Standard Modell érvényes. A levegő-atommaggal való ütközésnél azonban meghaladhatja az új fizika energiaküszöbét és akkor lényegében egy erősen kölcsönható részecskéhez, mondjuk protonhoz hasonló légizáport indít. Pillanatnyilag, még az új Auger- és a Teleszkóprendszer-adatokat is figyelembe véve sincs elegendő esemény a GZK-levágás környékén ahhoz, hogy a relatíve alacsony energián esetleg megjelenő új fizika létét megfigyelhessük.
 |
 |
A legfontosabb megoldatlan rejtély a primér összetételével kapcsolatos. Elvben protontól vasig bármi lehet. A fluoreszcens detektorok módot adnak a zápor Xmax(E) maximumának és ΔXmax(E) szórásának meghatározására (3. és 4. ábra). Ezekből az ábrákból elég világos, hogy az Auger Obszervatórium mérései a proton dominanciájáról fokozatosan a vasra történő áttérést részesítik előnyben, mígnem a HiRes és Teleszkóprendszer úgy látja, hogy többségben protonok jönnek a mért energiatartományban. Az LHC új adataival javított hadronmodellek valamivel markánsabbá teszik az Auger összetétel-változást az energia függvényében. Talán csak az okozza a különbséget, hogy az egyik detektor a déli, a másik kettő az északi féltekén gyűjtötte az adatokat. Egy másik érdekes, egyelőre megoldatlan kérdés, hogy a szimuláló programok miért nem képesek a müonszámot helyesen megadni. Az LHC kísérleti eredményeit pontosan leíró hadronmodellek fontos segítséget adnak az extrém energiájú tartományban szükséges analízisre. A nagy, új kozmikusdetektor- rendszerek még csak rövid ideje működnek, így további adatokra kell várni, hogy a felvetett problémákra és esetleges újabbakra magyarázatot adhassunk. Fontos kérdés, hogy a GZK-energia környéken és felette – az LHC-energia feletti ismeretlen tartományban – a várható nagyobb statisztika mutat-e valami új anomáliát, amely segítene egy még nem ismert, a Standard Modellen túlmenő fizika felfedezésében. A részecskefizikusok abban reménykednek, hogy a kis számú asztrofizikai gyorsító nem "fullad ki" az új fizika küszöbe alatt.
<>
Kövesi-Domokos Zsuzsát, a baltimore-i Johns Hopkins Egyetem emerita professzorát az Eötvös Loránd Fizikai Társulat 2011. májusi Küldöttközgyűlésén tiszteletbeli tagjává választotta. Társulati székfoglaló előadását 2012. január 19-én rendkívüli Ortvay-kollokvium keretében tartotta. A Fizikai Szemle az előadás két részes, írott változatával köszöntötte a kitüntetettet.
_________________________