Čestica "Oh-My-God"

Kozmičke zrake nisu zrake, nego čestice: najčešće protoni i atomske jezgre koje svemirom jure gotovo brzinom svjetlosti. Kad takva čestica udari u atom u gornjoj atmosferi, stvori pljusak milijardi novih čestica koji se širi prema tlu. Iz tog pljuska fizičari računaju kolika je bila energija prve čestice. Većina kozmičkih zraka ima skromne energije, ali poneka nosi više nego što ijedan uređaj na Zemlji može dati.

Oko u pustinji

Sveučilište u Utahu od 1981. vodilo je detektor nazvan Fly's Eye (Muhino oko), smješten na vojnom poligonu Dugway u pustinji jugozapadno od Salt Lake Cityja. Bio je sastavljen od desetaka zrcala s osjetljivim fotomultiplikatorima, okrenutih na sve strane neba, poput složenog oka kukca. Za vedrih noći bez Mjeseca bilježio je slabašan modrikasti sjaj koji pljusak čestica izaziva u dušiku iz zraka.

Dana 15. listopada 1991. detektor je zabilježio pljusak neviđene snage. Kad su fizičari, među njima David Bird, izračunali energiju čestice koja ga je pokrenula, dobili su oko 3,2 × 10^20 elektronvolta, odnosno oko 320 eksaelektronvolta. To je desetke milijuna puta više od energije protona u najjačem ljudskom ubrzivaču. Rad o mjerenju objavljen je 1995., a čestica je od milja dobila ime po uzviku "Oh my God".

Već je 1962. John Linsley sa svojim detektorom Volcano Ranch u Novom Meksiku izvijestio o čestici energije oko 10^20 elektronvolta. Ali čestica iz Utaha bila je energičnija i izmjerena je pouzdanije, pa je postala simbol cijelog problema.

Granica koju je trebalo poštovati

Godine 1965. otkriveno je kozmičko pozadinsko zračenje, slaba mikrovalna svjetlost preostala od Velikog praska koja ispunjava cijeli svemir. Već sljedeće godine Kenneth Greisen u SAD-u te Georgij Zacepin i Vadim Kuzmin u Sovjetskom Savezu neovisno su izračunali posljedicu. Proton s energijom iznad oko 5 × 10^19 elektronvolta sudarao bi se s fotonima tog zračenja i pritom gubio energiju. Na udaljenosti od stotinjak milijuna svjetlosnih godina spustio bi se ispod te granice, nazvane prema autorima granicom GZK.

Čestica iz 1991. bila je šest puta iznad granice. Ili je nastala razmjerno blizu, u našem kozmičkom susjedstvu, ili nešto u teoriji nije bilo potpuno. A u smjeru iz kojega je došla nije bilo očite galaksije ni drugog izvora koji bi mogao ubrzati česticu do takve energije.

Mjerenje, hipoteza i spekulacija

Izmjereno je da čestice energije iznad 10^20 elektronvolta postoje, iako su vrlo rijetke: na četvorni kilometar tla padne ih otprilike jedna u stoljeću. Golemi detektori, Opservatorij Pierre Auger u Argentini, koji pokriva 3000 četvornih kilometara, i Telescope Array u Utahu, zabilježili su stotine čestica iznad 5,7 × 10^19 elektronvolta. Izmjereno je i da broj čestica iznad granice GZK naglo pada, kao što teorija predviđa. Opservatorij Pierre Auger 2017. pokazao je da najenergičnije čestice dolaze iz smjerova izvan naše galaksije.

Hipoteza je da ih ubrzavaju najsnažniji poznati objekti u svemiru: okolice supermasivnih crnih rupa u središtima aktivnih galaksija, galaksije s burnim nastajanjem zvijezda ili magnetari. Na putu ih magnetska polja mogu toliko skrenuti da im smjer dolaska više ne pokazuje izvor. Ako je čestica bila teška jezgra, na primjer željeza, a ne proton, skretanje je još veće.

Spekulacija je da su takve čestice nastale raspadom nepoznatih superteških čestica preostalih od Velikog praska ili da pokazuju da poznati zakoni fizike pri tako velikim energijama prestaju vrijediti.

Čestica iz praznine

Dana 27. svibnja 2021. Telescope Array, mreža od više od pet stotina detektora na tlu u Utahu, zabilježio je pljusak s energijom od oko 244 eksaelektronvolta. Japanski fizičar Toshihiro Fujii, koji ga je prvi uočio, nazvao je česticu Amaterasu, po japanskoj božici Sunca. Rad je objavljen u časopisu Science u studenom 2023. Smjer dolaska pokazivao je prema Lokalnoj praznini, dijelu svemira uz našu galaksiju u kojem gotovo da i nema galaksija. Autori su naveli tri moguća objašnjenja: veliko skretanje u magnetskom polju, neotkriveni izvor u blizini ili nepotpuno poznavanje fizike čestica.