Кіріспе
Грейзен–Зацепин–Кузмин лимиті (GZK лимиті немесе GZK кесілуі) – басқа галактикалардан галактикааралық кеңістік арқылы біздің галактикаға қарай саяхаттайтын ғарыш сәулелері протондарының энергиясының теориялық жоғарғы шегі. Лимит 5 (50 ЭэВ) немесе шамамен 8 джоуль (≈ 99.99999999999999999998% жарық жылдамдығымен қозғалатын протонның энергиясы). Лимит протонның ұзақ қашықтықтағы (≈ 160 миллион жарық жылы) микротолқынды фондық сәулеленумен өзара әрекеттесуінің салдарынан энергиясын жоғалтуымен анықталады. Бұл лимит ғарыш сәулелерінің эксперименталды түрде анықталған энергиясының жоғарғы шегімен бірдей мәнде, бірақ кейбір жағдайларда анықтамалар лимиттің өзін асып түскендей көрінеді, осы туралы төменде айтылады. Мысалы, ең жоғары энергиялы ғарыш сәулесінің бірі – «О, Менің Құдайым Бөлшегі» (Oh My God Particle), оның энергиясы рекордтық 3,12 (50 джоуль) құрайды (шамамен 95 км/сағ жылдамдықпен ұшқан бейсболдың кинетикалық энергиясына тең). Нақты GZK лимиті ультра жоғары энергиялы ғарыш сәулелері протоннан тұрады деген болжамға негізделген. Бірақ ең ірі ғарыш сәулелерін бақылайтын Пьер Огер обсерваториясының өлшеулері көрсеткендей, көптеген ультра жоғары энергиялы ғарыш сәулелері HZE иондары деп аталатын ауыр элементтерден тұрады. Бұл жағдайда GZK лимитіне қатысты аргумент бастапқыдағы қарапайым түрінде қолданылмайды. Алайда, Грейсен атап өткендей, алып дипольдік резонанс та осы энергия диапазонында (10 ЭэВ/нуклон) пайда болады және ұзақ қашықтыққа таралуды ұқсас түрде шектейді. Бұрын GZK лимитінің бұзылуы космологтар мен теориялық физиктерді лимиттен қашудың басқа жолдарын ұсынуға итермеледі. Бұл теориялар ультра жоғары энергиялы ғарыш сәулелері біздің галактикамызға жақын жерде пайда болады немесе Лоренц коварианттығы бұзылады, нәтижесінде протондар біздің галактикаға қарай саяхаттайтын кезде энергиясын жоғалтпайды деп болжайды.
The Greisen–Zatsepin–Kuzmin limit (GZK limit or GZK cutoff) is a theoretical upper limit on the energy of cosmic ray protons traveling from other galaxies through the intergalactic medium to our galaxy. The limit is 5 (50 EeV), or about 8 joules (the energy of a proton travelling at ≈ 99.99999999999999999998% the speed of light). The limit is set by the slowing effect of interactions of the protons with the microwave background radiation over long distances (≈ 160 million light years). The limit is at the same order of magnitude as the upper limit for energy at which cosmic rays have experimentally been detected, although indeed some detections appear to have exceeded the limit, as noted below. For example, one extreme energy cosmic ray, the Oh My God Particle, which has been found to possess a record breaking 3.12 (50 joules) of energy (about the same as the kinetic energy of a 95 km/h baseball). The precise GZK limit is derived under the assumption that ultra high energy cosmic rays are protons. Measurements by the largest cosmic ray observatory, the Pierre Auger Observatory, suggest that most ultra high energy cosmic rays are heavier elements known as HZE ions. In this case, the argument behind the GZK limit does not apply in the originally simple form: however, as Greisen noted, the giant dipole resonance also occurs roughly in this energy range (at 10 EeV/nucleon) and similarly restricts very long distance propagation. In the past, the apparent violation of the GZK limit has inspired cosmologists and theoretical physicists to suggest other ways that circumvent the limit. These theories propose that ultra high energy cosmic rays are produced near our galaxy or that Lorentz covariance is violated in such a way that protons do not lose energy on their way to our galaxy.
Әлсіз әсерлесетін бөлшектер
Тағы бір ұсыныс жоғары энергиялы, әлсіз өзара әрекеттесетін бөлшектерді (мысалы, нейтриноларды) қарастырады, олар қашықтықтан туындап, кейін жергілікті түрде реакцияға түсіп, байқалатын бөлшектерді құруы мүмкін. Ұсынылған Z жарылысы моделінде, жоғары энергиялы ғарыштық нейтрино біздің галактикамыздағы антинейтрино реликтісімен соқтығысып, адрондарға айналады. Бұл процесс (виртуалды) Z бозоны арқылы жүзеге асады: нейтрино-антинейтрино жұбының массалық энергиясының центрі Z бозонының массасына тең болғанда, бұл процестің қимасы үлкен болады (қимадағы мұндай шың "резонанс" деп аталады). Антинейтриноның тоқтау күйінде екенін ескерсек, кірісетін ғарыштық нейтриноның энергиясы былай болуы керек:
The cross section for this process becomes large if the center of mass energy of the neutrino antineutrino pair is equal to the Z boson mass (such a peak in the cross section is called "resonance"). Assuming that the relic anti neutrino is at rest, the energy of the incident cosmic neutrino has to be
where is the mass of the Z boson, and the mass of the neutrino.
мұндағы – Z бозонының массасы, ал – нейтриноның массасы.
The cross section for this process becomes large if the center of mass energy of the neutrino antineutrino pair is equal to the Z boson mass (such a peak in the cross section is called "resonance"). Assuming that the relic anti neutrino is at rest, the energy of the incident cosmic neutrino has to be
where is the mass of the Z boson, and the mass of the neutrino.
Басқа теориялар
AGASA байқауларын түсіндіру үшін бірнеше экзотикалық теориялар ұсынылды, оның ішінде екі есе ерекше салыстырмалылық теориясы да бар. Дегенмен, қазіргі кезде стандартты екі есе ерекше салыстырмалылық теориясы абсолюттік тынығу жүйесін қамтитын Лоренц симметриясын бұзу модельдеріне керісінше, GZK құлдырауын (немесе GZK шегін) болжамайтыны анықталды. Басқа мүмкін теориялар қара материямен байланысты болуы мүмкін, немесе Стандартты модельде белгілі бөлшектерден ауыр экзотикалық бөлшектердің ыдырауымен байланысты болуы да мүмкін.
ГЗК шегінен жоғары ғаламдық сәулелер туралы дау
GZK шегімен түсіндірілетін ғарыштық сәуле ағынының басылуы соңғы буын ғарыштық сәулелер обсерваториясымен расталды. AGASA экспериментінің бұрынғы мәлімдемесі, басылудың жоқтығы туралы, қайта қарастырылды. Басылудың GZK әсерінен болатыны әлі де даулы мәселе болып қалуда. GZK шегі тек ультра жоғары энергиялы ғарыштық сәулелер негізінен протондар болған жағдайда ғана қолданылады. 2007 жылдың шілдесінде Мексиканың Юкатан штатындағы Мерида қаласында өткен 30-шы Халықаралық ғарыштық сәулелер конференциясында Жоғары ажыратымдылықтағы Fly's Eye эксперименті (HiRes) және Пьер Аугер обсерваториясы (Auger) ультра жоғары энергиялы ғарыштық сәулелер бойынша өздерінің нәтижелерін ұсынды. HiRes UHECR спектрінде дұрыс энергия деңгейінде басылуды байқады, шекті энергиядан жоғары энергиясы бар тек 13 оқиғаны тіркеді, ал басылу болмаған жағдайда 43 оқиға күтілген. Бұл GZK шегінің алғашқы байқалуы ретінде интерпретацияланды. Auger ағынның басылуын растады, бірақ оны GZK шегі деп атаған жоқ: AGASA нәтижелерін растау үшін қажетті 30 оқиғаның орнына, Auger тек екі оқиғаны байқады, олар ауыр ядролардың оқиғалары деп есептеледі. Ағынның басылуы бұрын AGASA эксперименті олардың спектрінде басылуды таппаған кезде күмәндалған болатын. Auger ынтымақтастығының бұрынғы өкілі Алан Уотсонның сөзіне сәйкес, AGASA нәтижелері дұрыс емес екені көрсетілді, бұл энергияны анықтаудағы жүйелі қателіктерге байланысты болуы мүмкін. 2010 жылы және одан кейінгі жылдары Пьер Аугер обсерваториясы мен HiRes ағынның басылуын қайта растады, Пьер Аугер обсерваториясының жағдайында бұл әсер 20 стандартты ауытқу деңгейінде статистикалық маңызды болып табылады. Ағынның басылуы орнатылғаннан кейін, GZK шегін бұзатын ғарыштық сәулелер протондар болып табыла ма деген қатысты пікірталас басталды. Әлемдегі ең ірі обсерватория Пьер Аугер зерттеуіне сәйкес, ультра жоғары энергиялы ғарыштық сәулелер таза протондар емес, энергияның артуымен ауырланатын элементтердің қоспасынан тұрады. Алайда, бұл мәлімдеме салыстырмалы түрде аз статистикалық маңыздылыққа ие деректерге негізделген. Телескоптар массивімен қамтылған аумақ Пьер Аугер обсерваториясымен қамтылған аумақтың шамамен үштен бірін құрайды, соңғысы ұзақ уақыт бойы жұмыс істеп келеді. Дау 2017 жылы ішінара шешілді, осы жылы екі эксперименттің қатысушыларынан құралған бірлескен жұмыс тобы 35-ші Халықаралық ғарыштық сәулелер конференциясында есеп ұсынды. Есепке сәйкес, бастапқы эксперименттік нәтижелер бір-бірімен қайшылықта емес. Әртүрлі интерпретациялар негізінен әртүрлі теориялық модельдерді қолдануға және Телескоптар массиві таза протондық гипотезаны аралас ядролық гипотезадан ажырату үшін жеткілікті оқиғаларды жинамағанына байланысты.
Жапондық эксперименттік модульдегі Алыс ғалам ғарыш обсерваториясы (JEM-EUSO)
2009 жылы Халықаралық ғарыш станциясында (ХҒС) ұшуға жоспарланған EUSO, атмосфералық флуоресценция техникасын пайдаланып, үлкен аумақты бақылау және жоғары энергиялы ғарыш сәулелерінің (UHECR) статистикасын едәуір арттыру мақсатында жасалған. EUSO ғарыштан UHECR шақырып келтіретін кең ауқымды атмосфералық жаңбырларды (EAS) терең зерттеуді жүзеге асыруға, өлшенген энергия спектрін GZK шегінен әрі кеңейтуге арналған. Оның міндеттері – UHECR-дің пайда болуын іздеу, UHECR бастауының табиғатын анықтау, UHECR-дің келу бағыттарын бүкіл аспан бойынша зерттеу және жоғары энергиялы ғаламды зерттеу үшін астрономиялық терезені ашуға тырысу. EUSO обсерваториясының болашағы әлі белгісіз, себебі NASA ХҒС-ті мерзімінен бұрын тоқтатуды қарастырып отыр.
Ферми гамма-сәулелік ғарыш телескобының үйлеспеушілігін анықтау
2008 жылдың маусым айында іске қосылған "Ферми гамма-сәулелік ғарыш телескопы" (бұрынғы GLAST) осы қарама-қайшылықтарды шешуге көмектесетін деректерді де ұсынады. "Ферми гамма-сәулелік ғарыш телескопы" арқылы, жаңадан үдетілген ғарыштық сәуле ядроларынан (UHECR көзі) гамма-сәулелерін олардың үдеу орнында анықтау мүмкіндігі бар. Астрофизикалық объектілерде үдетілген (сондай-ақ центрифугалық үдеу механизміне қараңыз) UHECR протондары, космостық микротолқындық және инфрақызыл фон арқылы таралу кезінде екіншілік электромагниттік каскадтарды тудырады, олардың ішінде пиондарды өндірудің GZK процесі де бар. Мұндай каскадтар EGRET экспериментімен өлшенген GeV–TeV диффузиялық фотон ағынының шамамен 1%-дан 50%-ға дейін үлес қосуы мүмкін. "Ферми гамма-сәулелік ғарыш телескопы" осы ағынды анықтауы мүмкін.
UHECR-дің ықтимал көздері
2007 жылдың қарашасында Пьер Огер обсерваториясының зерттеушілері жоғары энергиялы космиялық сәулелердің (UHECR) белсенді галактикалық ядролардан (AGN) келіп түскенін көрсететін деректер бар екенін хабарлады. Бұл AGN-лер энергиялы галактикалардың супермассивті қара тесікке құйылатын материяның күшімен жұмыс істеуінен пайда болған. Космикалық сәулелер анықталып, Véron–Cetty–Véron каталогы арқылы осы AGN-лерге дейін іздері салынды. Бұл нәтижелер "Science" журналында жарияланды. Алайда, 2007 жылдан кейін жиналған Огер обсерваториясының деректерінде осы каталогтағы AGN-лермен байланыстың күші бірте-бірте әлсіреуде.