Природные ускорители

Многие природные процессы с участием электрических и магнитных полей могут подхватывать заряженные частицы и ускорять их. Встречаются такие «природные ускорители» повсюду — от домашних условий и до глубокого космоса.

Искорки бытового статического электричества, которые проскакивают от пластмассовых расчесок или свитеров, разгоняют электроны до энергии в несколько электронвольт. Кинескоп старых телевизоров разгоняет электроны до энергии примерно 10 кэВ. А пироэлектрический кристалл (вещество, электризующееся при нагревании) может разгонять частицы и до еще больших энергий. Несколько лет назад с помощью пироэлектриков удалось разогнать частицы до энергии в сотни кэВ и даже инициировать реакцию термоядерного синтеза (впрочем, никакого практического применения для энергетики эти эксперименты не имеют из-за чрезвычайно малого КПД).

Электрические и магнитные поля вовлечены и во многие погодные явления. Например, недавно выяснилось, что обычные молнии могут разгонять электроны до энергий порядка 10 МэВ. Полярное сияние вызывается в основном электронами с энергией в сотни кэВ, разогнанными Солнцем и достигшими орбиты Земли. Кроме того, во время крупных солнечных вспышек были обнаружены электроны с энергией в сотни МэВ.

Во время вспышки молнии (слева) электроны могут разгоняться в электрическом поле до энергий в несколько МэВ. Наше Солнце тоже работает «природным ускорителем». Во время крупных солнечных вспышек электроны могут разгоняться до энергий в сотни МэВ. На снимке (справа) показано Солнце в рентгеновских лучах

В глубоком космосе, за пределами солнечной системы, существует множество объектов, способных разгонять частицы до очень высоких энергий. Вспышки сверхновых могут порождать ударные волны в замагниченной межзвездной среде, которые могут ускорять заряженные частицы до энергий в десятки ТэВ. Самые мощные природные ускорители — это активные ядра галактик. Так называют компактные «сердцевины» некоторых галактик, столь активные, что их свет (как в оптическом, так и в других диапазонах) затмевает свет всех звезд в этой галактике. Иногда даже наблюдаются струи — узкие, но мощные потоки вещества, — выбрасываемые активными галактическими ядрами. Сейчас считается, что такая активность центральной области — результат бурных процессов, связанных с падением вещества на центральную сверхмассивную черную дыру в присутствии сильных магнитных полей.

Вспышки сверхновых порождают ударные волны в межзвездной среде, которые могут ускорять заряженные частицы до энергий в десятки ТэВ. На снимке (слева) — Крабовидная туманность, остаток от вспышки сверхновой, свет от которой дошел до Земли в 1054 году. Но самые мощные природные ускорители — это ядра активных галактик. Например, в гигантской струе, исторгнутой из центра галактики М87 (справа), есть электроны с энергий в сотни ТэВ

Наблюдения показывают, что, например, в гигантской струе, исторгнутой из центра галактики М87, есть электроны с энергий в сотни ТэВ. А в самом ядре галактики частицы могут разгоняться до энергий, на несколько порядков больших. Соперничать с этими природными ускорителями человеку еще долгое время будет не под силу.

Результатом работы таких космических ускорителей являются потоки высокоэнергетических электронов, протонов и ядер, летающих по Вселенной. Такие частицы попадают и на Землю; их называют космическими лучами. Энергии частиц космических лучей самые разные, от маленьких до больших, но время от времени встречаются и рекордсмены — частицы с энергией выше 10²⁰ эВ (100 миллионов ТэВ).

За космическими лучами можно не только наблюдать, но и использовать их для изучения столкновений элементарных частиц. Для этого надо забраться высоко в горы, где поток космических лучей больше, оставить там на некоторое время детектор, а затем посмотреть, что в нём зарегистрировано. Именно в космических лучах были обнаружены мюоны, пи-мезоны, позитроны и многие другие частицы.

Далее: Применение ускорителей и детекторов в медицине

Комментировать