Частинка Oh-My-God

Частинка Oh-My-God (англ. «О-Мій-Боже») — космічний промінь надвисокої енергії, зареєстрований 15 жовтня 1991 року камерою Fly's Eye на полігоні Дангвей, штат Юта, США^[1][2][3]. Станом на 2023 рік це космічний промінь з найвищою енергією, який коли-небудь спостерігався^[4]. Його енергію оцінили як (3,2 ± 0,9)·10²⁰ еВ (320 млн. ТеВ). Енергія частинки була неочікуваною і поставила під сумнів теорії того часу про походження та поширення космічних променів.

Невідомо, що це була за частинка, але більшість космічних променів — це протони. Якщо ${\displaystyle m_{p}}$ — маса спокою частинки, а ${\displaystyle E_{K}}$ — її кінетична енергія (перевищення енергії над енергією спокою), то швидкість частинки дорівнює швидкості світла, помноженій на ${\displaystyle {\sqrt {1-(m_{p}c^{2}/(E_{K}+m_{p}c^{2}))^{2}}}}$. Припустимо, що це був протон, для якого ${\displaystyle m_{p}c^{2}}$ є 938 МеВ. Тоді він рухався зі швидкістю світла, помноженою на 0,9999999999999999999999951, його коефіцієнт Лоренца був 3,2·10¹¹, а стрімкість становила 27,1. Якби фотон рухався поряд з такою частинкою, то знадобилось би понад 215 тис. років, щоб фотон випередив частинку на 1 см (у лабораторній системі відліку). Через спеціальну теорію відносності такий протон відчуває екстремально сильне релятивістське уповільнення часу, так що рух від видимого нами краю Всесвіту до Землі зайняв би всього 19 днів у системі відліку, пов'язаній з протоном.

Енергія цієї частинки приблизно у 40 мільйонів разів більша, ніж найвища енергія протонів, будь-коли досягнута в земних прискорювачах елементарних частинок. Однак в ході зіткнення з ядром в земній атмосфері лише мала частина цієї енергії була доступна для ядерних реакцій, натомість як більша частина енергії залишилась в кінетичній енергії центру мас продуктів реакції. Якщо ${\displaystyle m_{t}}$ — маса ядра-мішені, то доступна для такого зіткнення енергія^[5]

${\displaystyle \ {\sqrt {2\ E_{K}\ m_{t}\ c^{2}+(m_{p}+m_{t})^{2}c^{4}}}-(m_{p}+m_{t})c^{2}}$

що для великих ${\displaystyle E_{K}}$ становить приблизно

${\displaystyle \ {\sqrt {2\ E_{K}\ m_{t}\ c^{2}}}.}$

Для частинки, яка зіштовхується з ядром азоту, це дає 2900 ТеВ, що приблизно в 200 разів перевищує найвищу енергію зіткнення Великого адронного колайдера, в якому стикаються дві частинки високих енергій, що рухаються в протилежних напрямках^[6][7]. Таким чином, у системі відліку центру мас (яка рухається майже зі швидкістю світла відносно лабораторної системи відліку) продукти зіткнення мали енергію близько 2900 ТеВ — достатньо для перетворення ядра на багато частинок, які розлітаються майже зі швидкістю світла навіть у цій системі відліку. Як і з іншими космічними променями, це породило каскад релятивістських частинок, оскільки частинки взаємодіяли з іншими ядрами в атмосфері.

Енергію частинки Oh-My-God оцінили як (3,2 ± 0,9)·10²⁰ еВ, або 51±14 Дж. Ця енергія еквівалентна кінетичній енергії 142-грамового бейсбольного м'яча, що летить зі швидкістю 100 км/год. Вона в 10²⁰ разів вища за енергію фотонів видимого світла і в Координати: 5^г 40^м 48^с, +48° 0′ 0″20 мільйонів разів вища, ніж рекордна на свій час енергія високоенергетичного гамма-кванта 1997 року від блазара Маркарян 501^[8].

Хоча енергія частинки була вищою, ніж будь-що, досягнуте на земних прискорювачах, вона все ще у 40 мільйонів разів менша за планківську енергію, на якій очікується екзотична фізика. Протон з планківською енергією рухався б у 1,7·10¹⁵ разів ближче до швидкості світла, ніж частинка Oh-My-God.

Після частинки Oh-My-God були зареєстровані сотні подій з енергіями частинок 5,7·10¹⁹ еВ і вище, підтверджуючи, що реєстрація частинки Oh-My-God не була помилкою^[9][10]. Ці надвисокоенергетичні частинки космічного випромінювання дуже рідкісні, а енергія більшості частинок космічного випромінювання лежить між 10⁷ і 10¹⁰ еВ.

Дослідження з використанням Telescope Array Project припустили, що джерело таких частинок лежить у межах «теплої плями» радіусом 20 градусів в напрямку сузір'я Великої Ведмедиці^[3][10][11].

1. ↑ Bird, D.J.; Corbato, S.C.; Dai, H.Y.; Elbert, J.W.; Green, K.D.; Huang, M.A.; Kieda, D.B.; Ko, S.; Larsen, C.G. (Березень 1995). Detection of a cosmic ray with measured energy well beyond the expected spectral cutoff due to cosmic microwave radiation. The Astrophysical Journal. 441: 144. arXiv:astro-ph/9410067. Bibcode:1995ApJ...441..144B. doi:10.1086/175344.
2. ↑ The Fly's Eye (1981-1993) – The highest energy particle ever recorded. cosmic-ray.org. Архів оригіналу за 15 серпня 2009. Процитовано 26 серпня 2023.
3. ↑ ^{а б} Wolchover, Natalie (14 травня 2015). The particle that broke a cosmic speed limit. Quanta Magazine. ISSN 2640-2661.
4. ↑ Jonathan O’Callaghan (30 травня 2023). We are finally closing in on the cosmic origins of the "OMG particle". New Scientist.
5. ↑ Lebedev, V.; Shiltsev, V. (29 травня 2014). Accelerator Physics at the Tevatron Collider. Springer. с. 1. ISBN 9781493908851. Процитовано 3 червня 2019.
6. ↑ Jowett, John (Листопад 2015). Lead-ion collisions: The LHC achieves a new energy record. CERN Bulletin.
7. ↑ Nerlich, Steve (13 червня 2011). Oh-My-God particles. Universe Today.
8. ↑ Aharonian, F. (1999). The time averaged TeV energy spectrum of Mkn 501 of the extraordinary 1997 outburst as measured with the stereoscopic Cherenkov telescope system of HEGRA (PDF). Astronomy & Astrophysics. 349: 11—28. arXiv:astro-ph/9903386v2. Bibcode:1999A&A...349...11A.
9. ↑ Abdul Halim, A.; Abreu, P.; Aglietta, M.; Allekotte, I.; Allison, P.; Almeida Cheminant, K.; Almela, A.; Alvarez-Muñiz, J.; Ammerman Yebra, J. (1 лютого 2023). A Catalog of the Highest-energy Cosmic Rays Recorded during Phase I of Operation of the Pierre Auger Observatory. The Astrophysical Journal Supplement Series. 264 (2): 50. Bibcode:2023ApJS..264...50A. doi:10.3847/1538-4365/aca537. ISSN 0067-0049.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
10. ↑ ^{а б} Abbasi, R. U.; Abe, M.; Abu-Zayyad, T.; Allen, M.; Anderson, R. та ін. (14 липня 2014). Indications of intermediate-scale anisotropy of cosmic rays with energy greater than 57 EeV in the northern sky, measured with the surface detector of the Telescope Array Experiment. The Astrophysical Journal. 790 (2): L21. arXiv:1404.5890. Bibcode:2014ApJ...790L..21A. doi:10.1088/2041-8205/790/2/L21. ISSN 0004-637X.
11. ↑ Cho, Adrian (8 липня 2014). Physicists spot potential source of 'Oh-My-God' particles. Science. doi:10.1126/article.22871. ISSN 0036-8075.

• The Oh-My-God Particle by John Walker