Cząstka O Mój Boże

Jak powszechnie wiadomo, wedle ustaleń Einsteina nic nie może przekroczyć prędkości światła - nawet światło. Nieco mniej znaną rzeczą jest fakt, że o ile możemy rozpędzać różne obiekty do ogromnych prędkości, to te które posiadają masę nie mogą być rozpędzone do prędkości światła.
 Wynika to z kilku elektów relatywistycznych - zbliżanie się do prędkości światła nadaje cząstce dodatkową "masę", związaną z reprezentacją energii kinetycznej zgodnie ze słynnym wzorem mówiącym o zamianie masy na energię i energii w masę. (jest to zresztą dość specyficzna "masa" bo wywołuje tylko wzrost pędu w kierunku ruchu, a więc nie ciąży we wszystkich kierunkach, stąd określenie "masa relatywistyczna"). Wzrost masy cząstki powoduje zarazem, że aby jeszcze trochę przyspieszyć cząstkę, trzeba jej przydać większą porcję energii niż to wystarczało do poprzedniego rozpędzenia. Na dodatek wreszcie dla prędkości relatywistycznych prędkości nie zupełnie się sumują - trzeba brać jeszcze pewną poprawkę.

Wszystkie te efekty składają się na niezupełnie intuicyjną sytuację. Dla względnie niskich prędkości, aby rozpędzić ciało do pewnej prędkości, należy podziałać na nie pewną siłą i dostarczyć pewną ilość energii. Aby teraz zwiększyć jego prędkość dwa razy, należy znowu podziałać taką samą siłą, dodać kolejną taką samą porcję energii aby w efekcie ciało miało jej dwa razy więcej.
W przypadku prędkości zbliżonych do prędkości świata, to nie działa. Aby rozpędzić ciało do 0,95 C należy zwydatkować mniej energii niż jest potrzebne aby przyspieszyć je z 0,95 C do 0,99 C. Zaś aby przyspieszyć je teraz o te ułamki procenta, należy użyć jeszcze większej ilości energii. Teoretycznie dla dowolnej niezerowej masy, aby rozpędzić ją z 0 do 1 C należy użyć nieskończonej ilości energii, zaś masa relatywistyczna takiego ciała również stałaby się nieskończona.

Z tego powodu fizycy zwykle określają prędkość za pomocą energii, licząc ją w elektronowoltach eV, często też mając na uwadze wzór Einsteina i zamianę masy w energię, za pomocą energii równoważnej określają też masy cząstek. 1 eV to bardzo mała porcja energii, więc zwykle opisywane wartości są bardzo duże. Największe wartości energii uzyskiwane przez Wielki Zderzacz Bozonów przy zderzaniu dwóch wiązek cząstek, to 14 tera-elektronowoltów (14 TeV) a więc 14 bilionów eV (pojedyncze protony miały energię 7 TeV, więc przy czołowym zderzeniu dwóch takich wychodzi 14), co przekłada się na prędkość cząstek równą 0,999999991 C. To dużo. To tak wiele, że trudno sobie wyobrazić jak rozpędzić cząstki jeszcze bardziej.

Przenieśmy się teraz w inne miejsce, do Utah w Stanach Zjednaczonych, gdzie znajduje się obserwatorium badające promienie kosmiczne. Te strumienie naładowanych lub obojętnych cząstek, elektronów, protonów, cząstek alfa i nieraz także całkiem ciężkich jonów w rodzaju jądra żelaza, wpadają w ziemską atmosferę z tak dużą siłą, że zderzając się z tlenem, azotem czy argonem inicjują reakcje jądrowe. Każdy taki przypadek generuje zatem błysk promieniowania, błysk światła oraz kaskadę potomnych cząstek elementarnych, powstałych po prostu z energii zderzenia.
Pomysł wykrywania takich zdarzeń opiera się zatem na prostym założeniu - obserwujemy pewną ciemną przestrzeń i wykrywamy rozbłyski charakterystyczne dla zderzeń. Zależnie od tego jak duża była energia cząstki, rozbłysk będzie mocniejszy lub ciemniejszy. Dzięki temu można zbadać ile, jakich i jak bardzo energetycznych cząstek nadlatuje z kosmosu. Na tym też polegają obserwacje prowadzone w Utah.
Tam też 15 października 1991 roku w atmosferę wpadła cząstka wyjątkowa.

Był to w zasadzie zwyczajny proton, jądro atomu wodoru, ale rozpędzony do bardzo wysokiej prędkości. Współcześnie zbudowany, najmocniejszy Wielki Zderzacz Hadronów może nadać protonom energię 14 TeV. Cząstka która wpadła wtedy w atmosferę miała energię 300 milionów TeV. Fizyk przeglądający te wyniki, dopisał na wydruku "OMG!" stąd też używana powszechnie nazwa tej jednej, konkretnej cząstki Oh My God Particle.

Po przeliczeniu energii na prędkość wyszło, że cząstka leciała z szybkością 0,999 999 999 999 999 999 999 9951c. Różnica między prędkością światła a tej cząstki jest tak mała, że trudno by było zmierzyć ją bezpośrednio. Gdyby z tego samego punktu wysłać tą cząstkę i foton, po upływie roku światło wysunęłoby się na jedynie 46 nanometrów do przodu. Po upływie 220 tysięcy lat różnica dystansów urósłby do jednego centymetra.
To na prawdę bardzo mała różnica.

Energia kinetyczna tej drobnej cząstki odpowiada mniej więcej uderzeniu piłki tenisowej odbitej z prędkością 100 km/h.

Jakie są konsekwencje takiego zderzenia? Cóż, wprawdzie nie cała energia cząstki była dostępna w zderzeniu, ale i tak kilkadziesiąt razy przekraczała możliwości LHC. Uderzając w cząsteczkę składnika powietrza stworzyła kaskadę potomnych cząstek, z pewnością także tych rzadkich, egzotycznych, których z wytęsknieniem wypatrują fizycy. Może były tam kwarki dziwne, może różne kaony i piony, może nawet antymateria, ale też prawie na pewno powstał wtedy Bozon Higgsa.
Można wobec tego ułożyć kalambur, że aby stworzyć Boską Cząstkę należy użyć protonów tak prędkich, że o mój boże... 

Inna konsekwencja jest nieco mniej oczywista. Po zbudowaniu LHC wielu wyrażało obawy, że tworzenie nowych egzotycznych cząstek może wywołać katastrofę. Na przykład, że w cyklotronie powstanie mała czarna dziura, która wszystko wessie. Albo powstanie atom materii dziwnej, zwierającej kwark dziwny. Atom ten w zetknięciu z innymi atomami, wywoła ich przemianę także w materię dziwną, i  w efekcie w krótkim czasie cała ziemia zamieni się w luźno związaną mgiełkę dziwnej materii.
Jeśli jednak z kosmosu w atmosferę wpadają cząstki tak wysoko energetyczne jak OMG Patricle, to już sam fakt że nadal istniejemy odsuwa te obawy w niebyt.

Po tamtej obserwacji, zarejestrowano jeszcze kilkadziesiąt cząstek o podobnej energii, toteż siłą rzeczy nasuwało się dość oczywiste pytanie - a co też je tak strasznie rozpędziło?
Jedna z teorii mówi o supernowych, w których część materii jest wyrzucana z prędkościami relatywistycznymi. Jedna z ciekawszych teorii mówi o gwiazdach neutronowych. Ich zdegenerowana materia przemieszana z elektronami zachowuje się jak przewodząca ciecz o częściowych własnościach nadprzewodzących. Interakcja skrajnie silnego pola magnetycznego z szybkim obrotem, rzędu 1 obrót na 10 milisekund, generuje w tej materii fale magnetohydrodynamiczne. Ich uderzenie o powierzchnię miałoby przekazać zgromadzonej tam warstwie materii nie
zdegenerowanej wystarczająco dużo energii, aby wystrzelić pojedyncze cząstki z ogromnymi prędkościami.
Jeszcze inna wersja mówi o przyspieszaniu cząstek przez fale uderzeniowe w dżetach wytryskiwanych przez aktywne centa galaktyk, zawierające zapewne czarne dziury.

Ostatnie obserwacje ultraszybkich cząstek zidentyfikowały pewien wyróżniony kierunek -  część odnotowanych pochodziła z konkretnego obszaru na niebie o średnicy 20 stopni.[1] Dalsze obserwacje powinny pozwolić zweryfikować te dane i uściślić kierunek.

Znalezienie źródła tych cząstek jest dla fizyków ważne też z innego powodu - dzięki temu będzie można przetestować współczesny model kosmologiczny i Teorię Względności.

Wydawałoby się, że w kosmicznej próżni superszybkie cząstki nie mają żadnego oporu, bo próżnia jest próżna. W rzeczywistości jednak próżnia w kosmosie nie jest całkiem próżna, przede wszystkim wypełnia ją światło i mikrofalowe promieniowanie tła. Jak się okazuje przy tak dużych prędkościach cząstki zaczynają oddziaływać z fotonami tła, produkując piony, co zmniejsza ich energię. Oznacza to że cząstki powyżej pewnego progu energii, wynoszącego 5x10^19 eV, będą hamowane i jeśli będą leciały na dystansie dłuższym niż 160 mln lat świetlnych, to zostaną wyhamowane poniżej tego limitu. Cząstka OMG i podobne do niej znacznie przekraczają ten limit, zatem ich źródło powinno znajdować się bliżej niż 160 mln lat świetlnych od ziemi. Gdyby zaś znajdowało się znacząco dalej, to znaczyłoby że po pierwsze, coś nie tak jest z wyliczeniami limitu, a po drugie coś nie tak jest z teoriami z których limit został wywiedziony. A to byłby dla fizyków bardzo ciekawy problem.

-------
Ciekaw jestem swoją drogą jak by nazwali tą cząstkę, gdyby ją wykryli w Polsce - OŻK Particle?

*  http://en.wikipedia.org/wiki/Oh-My-God_particle
* http://en.wikipedia.org/wiki/Ultra-high-energy_cosmic_ray
* http://en.wikipedia.org/wiki/Greisen–Zatsepin–Kuzmin_limit

[1] http://news.sciencemag.org/physics/2014/07/physicists-spot-potential-source-oh-my-god-particles