The OMG! Particle (Encore)
15:32 Share

哦,

哦,是吗?是的。只需在应用中自行报税即可,截止日期是2月18日。如果我有许多表格怎么办?没问题。全部100%免费。如果我曾经见过大脚怪呢?这与税务无关,所以仍然是100%免费。这才是我想说的。这才叫报税。请在TurboTax应用程序中查看您是否符合条件。不包括TurboTax Live,必须在2月18日之前启动并在应用程序中报税。

1991年10月15日,犹他州的一个宇宙射线探测器观测到了一种前所未有的现象。这是一个能量超过以往任何观测到的宇宙射线,其能量甚至超过大多数科学家认为可能的能量。当一位最初的研究人员看到数据时,他们只是回应说:“哦,我的上帝!”在本期《无处不在的日常》节目中,了解更多关于“我的天哪”粒子是什么以及它意味着什么的信息。

♪♪

本期节目由Indeed赞助播出。当您的电脑出现故障时,您不会等待它奇迹般地再次启动。你会解决问题。那么,为什么还要等待招聘公司迫切需要的员工呢?使用Indeed的赞助职位快速招聘顶尖人才。更好的是,您只需为结果付费。无需等待。通过indeed.com/podcast上的75美元赞助职位积分加快您的招聘速度。适用条款和条件。

理论上,科学的运作方式是有人提出一个假设,然后设计一个实验来检验它。许多科学都是这样运作的,但有些事情你根本无法进行实验。天文学就是这样一门学科。它基于观察。他们观察宇宙的现状,然后试图创造出能够以连贯的方式解释所有观察结果的假设。

但偶尔也会有一些观察结果会扰乱一切。它需要我们对已知知识和用于描述已知知识的理论进行彻底的重新评估。本期节目就是关于1991年发生的这样一个观察结果。在我详细介绍1991年发生的事情之前,我需要解释几件事,以帮助理解一切。首先要理解什么是宇宙射线。

我之前做过一整期关于宇宙射线的节目,包括它们的发现史。宇宙射线是高能粒子,它们几乎以各个方向在太空中高速运动。大约90%的宇宙射线是已经被剥夺了电子的氢原子核,也就是质子。其余10%是来自氦或更重原子的原子核,它们也被剥夺了电子。这些粒子以接近光速的速度运动。

其中大部分起源于我们的太阳系之外。当这些粒子撞击地球大气层时,它们通常会导致与原子和分子的高能碰撞。这些碰撞然后产生新的粒子辐射,这些辐射会降落到地球上。这与大型强子对撞机等粒子加速器内部发生的情况非常相似。粒子被加速到高速,然后与其他粒子相撞,以便观察碰撞。

这些碰撞一直在大气层中发生,能量往往远大于我们在粒子加速器中所能达到的能量。平均而言,每分钟有一次宇宙射线撞击每平方厘米的上层大气。宇宙射线的能量范围很广。能量最低的粒子最常见,然后它们的能量会急剧增加,能量最高的粒子非常罕见。

极高能粒子每平方公里可能每世纪只撞击大气层一次。这些宇宙射线粒子中包含的能量就是本期节目的主题。粒子物理学中使用的能量单位称为电子伏特。电子伏特是一个极小的测量单位。

电子伏特的定义是在真空中,单个电子从静止状态加速通过一伏特的电位差而获得的动能。因此,电子伏特是类似于焦耳的能量度量,唯一的区别是一个焦耳大约比一个电子伏特大10的19次方。电子伏特非常小,在实践中,粒子通常以兆电子伏特、吉电子伏特或太电子伏特来测量。

最常见的宇宙射线将在吉电子伏特范围内。大型强子对撞机加速的能量最高的粒子达到了13.6太电子伏特。由于质子的质量保持稳定,增加粒子动能的唯一方法是增加其速度。同样,像氦核这样的较重粒子需要更多的能量才能达到相同的速度。

如你所知,物体的速度是有极限的。没有任何东西的速度能超过光速。你越接近光速,就越需要更多的能量才能更接近光速。在我们生活的速度下,我们几乎注意不到这一点,但是当你开始接近光速时,这就会成为一个问题。要达到光速本身需要无限的能量。所有这些都应该为本期节目的主题奠定基础。

像大型强子对撞机这样的粒子对撞机非常适合对粒子碰撞时发生的情况进行受控观察。然而,在我们头顶上方,宇宙射线一直在发生更高能量的碰撞。因此,人们创建了天文台来尝试观测宇宙射线,更准确地说,是宇宙射线与上层大气的相互作用。其中一个天文台是飞眼宇宙射线探测器,由犹他大学运行。

当时,这是一个实验性天文台,位于邓格威试验场,这是一个位于犹他州的80万英亩的大型土地,美国陆军将其用于武器试验。该天文台有100个探测器,每个探测器都配备了一个1.5米宽的镜子,用于寻找大气中粒子碰撞的闪光。当宇宙射线撞击大气层时,它会产生一系列粒子辐射。宇宙射线的能量可以通过级联的大小来确定。

1991年10月15日,进行了一次让研究人员震惊的观测。他们观测到一个宇宙射线,其能量相当于320艾电子伏特。这个数字非常大,以至于你们大多数人可能甚至不知道前缀“艾”是什么意思。当然,兆表示百万。吉表示十亿。太表示万亿。

拍表示千万亿,艾表示十亿亿。这个宇宙射线的能量为320十亿亿电子伏特,或相当于51焦耳的能量。单个粒子中的能量相当于一个时速56英里或90公里/小时的棒球,或相当于从肩高处掉下一个保龄球。

所有这些能量都集中在一个被认为是质子的单个粒子中。它大约比大型强子对撞机中所能加速的最强大的粒子强大4000万倍。当他们看到数据时,一位研究人员惊呼:“哦,我的上帝!”,这个名字就保留了下来。它被称为“哦,我的上帝”或OMG粒子。实际上,根据一些说法,它最初被称为WTF粒子,但当他们公开发布时,他们改变了名字。

这次观测之所以如此令人震惊,原因有很多。首先是它必须以多快的速度运动才能拥有这么大的能量。说它以接近光速的速度运动是轻描淡写的。

如果它是一个质子,它的速度必须是光速的99.99999999999999999951%。如果这个粒子与一个光子同时发射参加比赛,

那么光子需要22万年的时间才能领先1厘米。当然,对于静止的观察者来说,这是22万年。如果你熟悉狭义相对论,你就会知道,对于接近光速运动的观察者来说,时间会慢得多。从粒子的角度来看,

它可以在短短0.43毫秒内穿越地球到太阳系最近的恒星比邻星的距离。穿越银河系10万光年的相对时间只有10秒。这个粒子的荒谬速度和它所持有的难以置信的能量只是使这一观察结果引人入胜的部分原因。另一个原因是这种粒子本来就不应该存在。

质子动能存在理论上的极限。格里森-扎特斯佩辛-库兹明(GZK)极限认为,质子的极限大约为50艾电子伏特。OMG粒子超过了这个极限的六倍。当进行这种推翻理论估计的令人难以置信的观察时,首先要寻找的是观察中的问题。

OMG粒子中观测到的能量非常大,以至于犹他大学的研究人员认为设备存在问题。检查数据的有效性是他们宣布结果前花了一年的原因之一。当他们这样做时,其他研究人员自然会怀疑他们的发现。自从观测到OMG粒子以来,人们对现在被称为超高能宇宙射线的观测越来越多。

超高能宇宙射线定义为任何超过1艾电子伏特的宇宙射线。就宇宙射线而言,这非常大,但仍然远小于OMG粒子。随着对越来越多的超高能宇宙射线的观测,OMG粒子似乎越来越不那么不可能了。这当然是一个罕见的事件,但并非不可能。

2022年,一个参与多国望远镜阵列项目的团队宣布,他们观测到一个能量为244艾电子伏特的宇宙射线,这也远高于GZK极限。即使OMG粒子确实可能存在,问题仍然存在,它是什么,它来自哪里?至于它是什么,GZK极限只适用于质子。

90%的宇宙射线是质子,所以人们认为OMG粒子也是质子。我给出的所有速度估计都是假设它是质子。然而,有人推测这些超高能粒子实际上并非质子,而是较重元素的原子核。如果OMG粒子的质量大于质子,那么速度可能会更低。

它仍然会非常接近光速,但百分比中可能不会有那么多9。无论粒子是什么,另一个重要的问题是它来自哪里?该粒子必须起源于某种难以置信的磁力源。一种理论认为它可能来自中子星。这些快速旋转、密度极高的恒星拥有宇宙中一些最强的磁场。

中子星的磁场将使其能够加速粒子,使其成为高能宇宙射线。另一个候选者是所谓的活动星系核。这些是星系中央的大质量黑洞,它们具有快速旋转的物质团,可以发出难以置信数量的电磁辐射。

根据OMG粒子观测日期的宇宙射线方向,其中一个嫌疑人是已知星系半人马座A的活动星系核,它距离地球约1600万光年。然而,鉴于带电粒子很容易受到其他磁场的影响,这一理论已经不受欢迎。现在认为该粒子不太可能从半人马座A直线传播。

事实上,我们真的不知道OMG粒子是什么,也不知道它来自哪里。观测宇宙射线的整个行为是观察它们被摧毁后的行为,因此这限制了我们对它们的了解。虽然我们对可以了解的内容可能有限制,但我们仍在学习更多。我们现在知道,虽然超高能宇宙射线很罕见,但OMG粒子可能并非孤立事件。

即使30年后,它仍然是迄今为止观测到的能量最强大的宇宙射线。《无处不在的日常》的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是本吉·朗和卡梅伦·基弗。我要向所有在Patreon上支持节目的观众表示感谢,包括节目的制片人。你们的支持帮助我每天都能制作节目。

此外,Patreon目前是唯一一个向顶级支持者提供《无处不在的日常》商品的地方。如果您想与节目的其他听众和完成者俱乐部的成员交谈,您可以加入《无处不在的日常》Facebook群组或Discord服务器。所有链接都在节目说明中。