Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для научного журнала см. Astroparticle Physics (журнал) .

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 быстро развивалась как теоретически, так и экспериментально с начала 2000-х годов. [1]

История [ править ]

Физика астрономических частиц возникла из оптической астрономии. С развитием технологии детекторов появилась 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 находятся 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. [2]

Австрийский физик Виктор Франсис Гесспредположил, 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 на высоте более 500 м будет какая-либо ионизация, 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 повышаться. 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 быть подальше в космос. За это открытие Гесс был одним из людей, награжденныхНобелевская премия по физике в 1936 году. В 1925 году Роберт Милликен подтвердил открытия Гесса и впоследствии ввел термин « космические лучи ». [3]

Многие физики, осведомленные о происхождении астрономической физики частиц, предпочитают считать это «открытие» Гессом космических лучей отправной точкой для этой области. [4]

Темы исследований [ править ]

Хотя может быть трудно принять решение о стандартном «учебном» описании области физики астрономических частиц, эту область можно охарактеризовать по темам исследований, которые активно разрабатываются. Журнал Astroparticle Physics принимает статьи, посвященные новым разработкам в следующих областях: [5]

  • Физика космических лучей и астрофизика высоких энергий ;
  • Космология частиц;
  • Астрофизика элементарных частиц;
  • Связанная астрофизика: сверхновая , активные галактические ядра , космическое изобилие, темная материя и т. Д .;
  • Гамма-астрономия высоких энергий, сверхвысоких и сверхвысоких энергий;
  • Нейтринная астрономия высоких и низких энергий;
  • Разработка приборов и детекторов, относящихся к вышеупомянутым областям.

Открытые вопросы [ править ]

Одна из основных задач для будущего этой области - просто полностью определить себя, выходя за рамки рабочих определений, и четко отделить себя от астрофизики и других связанных тем. [4]

Текущие нерешенные проблемы в области физики астрономических частиц включают характеристику темной материи и темной энергии . Наблюдения орбитальных скоростей звезд в Млечном Пути и других галактиках, начиная с Вальтера Бааде и Фрица Цвиккив 1930-х годах, наряду с наблюдаемыми скоростями галактик в скоплениях галактик, было обнаружено движение, намного превышающее плотность энергии видимой материи, необходимую для объяснения их динамики. 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. [6]

Другой вопрос для физиков-астрономов - почему сегодня во Вселенной намного больше материи, чем антивещества. Бариогенез - это термин для гипотетических процессов, которые породили неравное количество барионов и антибарионов в ранней Вселенной, поэтому Вселенная сегодня состоит из материи, а не из антивещества. [6]

Экспериментальные установки [ править ]

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 земных 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 в мире детектор частиц 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. [7]
  • 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. [8]
  • Обсерватория Пьера Оже ( Маларгуэ , Аргентина ). Обнаруживает и исследует космические лучи высоких энергий двумя способами. 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. [9]
  • 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, требующие низкого фонового шума. Расположен в горах Гран-Сассо , недалеко от Л'Акуилы (Италия). Его экспериментальные залы покрыты 1400-метровой скалой, защищающей 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 сверхвысоких энергий (UHECR) с использованием наземных массивов и методов флуоресценции в пустыне на западе штата Юта.

См. Также [ править ]

  • Astroparticle Physics (журнал)
  • Урка процесс
  • Нерешенные проблемы физики

Ссылки [ править ]

  1. ^ Де Анжелис, Алессандро; Пимента, Марио (2018). Введение в физику частиц и астрономических частиц (многопользовательская астрономия и ее основы физики элементарных частиц) . Springer. DOI : 10.1007 / 978-3-319-78181-5 . ISBN 978-3-319-78181-5.
  2. ^ Longair, MS (1981). Астрофизика высоких энергий . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета . п. 11. ISBN 978-0-521-23513-6.
  3. ^ «17 апреля 1912: полет на воздушном шаре Виктора Гесса во время полного затмения для измерения космических лучей» . Проверено 18 сентября 2013 .
  4. ^ a b Циркель-Бартельт, Ванесса (2008). «История физики астрономических частиц и ее компонентов» . Живые обзоры в теории относительности . Институт Макса Планка гравитационной физики. 11 (2): 7. Bibcode : 2008LRR .... 11 .... 7F . DOI : 10.12942 / LRR-2008-7 . PMC 5256108 . PMID 28179823 . Проверено 23 января 2013 года .  
  5. ^ Физика астрономических частиц . Проверено 18 сентября 2013 .
  6. ^ a b Grupen, Клаус (2005). Физика астрономических частиц . Springer. ISBN 978-3-540-25312-9.
  7. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2013-01-23 . Проверено 24 января 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  8. ^ http://borex.lngs.infn.it Архивировано 23 июля 2012 г. на Wayback Machine
  9. ^ "Дом" . Архивировано из оригинала на 2013-05-06 . Проверено 29 апреля 2013 .
  • Перкинс, Д.Х. (2009). Астрофизика элементарных частиц (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-954546-9.

Внешние ссылки [ править ]

  • Европейский сетевой портал Aspera
  • www.astroparticle.org: все об астрономической физике частиц ...
  • Новости Aspera
  • Новости физики астрономических частиц в Twitter [ постоянная мертвая ссылка ]
  • Виртуальный институт физики астрономических частиц
  • Альянс Гельмгольца по физике астрономических частиц
  • UCLA Astro-Particle Physics в UCLA
  • Журнал космологии и физики астрономических частиц
  • Физика астрономических частиц в Нидерландах
  • Астрономия и физика высоких энергий
  • ASD: Лаборатория физики астрочастиц в NASA
  • Обучение физике астрономических частиц