Die Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze (GZK Grenze) ist eine theoretische obere Grenze auf der Energie von kosmischen Strahlen (hohe Energie hat Partikeln vom Raum beladen), aus "entfernten" Quellen kommend. Die Grenze ist 5×10 eV, oder ungefähr 8 Joule. Die Grenze wird durch Verlangsamen-Wechselwirkungen von kosmischen Strahl-Protonen mit der Mikrowellenhintergrundradiation über lange Entfernungen (~163 Millionen Lichtjahre) festgelegt. Die Grenze ist an derselben Größenordnung wie die obere Grenze für die Energie, an der kosmische Strahlen experimentell entdeckt worden sind. Zum Beispiel ist ein ultraenergiereicher kosmischer Strahl entdeckt worden, der geschienen ist, 50 Rekord-Joule der Energie (über dasselbe als ein Baseball von 60 Meilen pro Stunde) zu besitzen.

Kosmologen und theoretische Physiker haben solche Beobachtungen als Schlüssel in der Suche nach Erforschungen der Physik in den Energiebereichen betrachtet, die neue Theorien des Quant-Ernstes und andere Theorien verlangen würden, die Ereignisse an der Skala von Planck voraussagen. Das ist, weil Protone an diesen äußersten Energien (3 Millionen TeV) an der Energie von Planck (ungefähr 2 Milliarden Joule) viel näher sind als irgendwelche Partikeln, die durch aktuelle Partikel-Gaspedale (20 TeV oder 3 Millionstel eines Joules) gemacht werden können. Sie sind so als eine Untersuchung in Bereiche passend, wo die Theorie der speziellen Relativität zusammenbricht. Physiker Lee Smolin hat geschrieben, dass, wenn solche kosmischen Strahlen, die die GZK-Grenze verletzen, und andere mögliche rabattierte Erklärungen bestätigt werden können, es "die bedeutsamste Entdeckung des letzten Hunderts Jahre — die erste Depression der grundlegenden Theorien sein würde, die die wissenschaftliche Revolution des zwanzigsten Jahrhunderts umfassen."

Berechnung der GZK-Grenze

Die Grenze wurde 1966 von Kenneth Greisen unabhängig geschätzt, Vadim Kuzmin und Georgiy Zatsepin, haben auf Wechselwirkungen zwischen kosmischen Strahlen und den Fotonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation (CMB) gestützt. Sie haben vorausgesagt, dass kosmische Strahlen mit Energien über die Schwellenenergie 5×10 eV mit kosmischen Mikrowellenhintergrundfotonen aufeinander wirken würden, um pions über die Klangfülle, zu erzeugen

oder

Der h Exponent wird gewählt, um Anklage zu erhalten, so dass neutrale pions erzeugt werden, wenn ein Proton eingeht und über die Reaktion herrscht, während ein positiver pion erzeugt werden muss, wenn ein Proton hereingeht und ein Neutron abreist. Auf diese Weise erzeugte Pions fahren fort, im Standard pion Kanäle — schließlich zu Fotonen für neutralen pions, und Fotonen, Positronen und verschiedenem neutrinos für positiven pions zu verfallen. Neutronen verfallen auch zu ähnlichen Produkten, so dass schließlich die Energie jedes kosmischen Strahl-Protons durch die Produktion von hohen Energiefotonen plus (in einigen Fällen) hohe Energiepaare des Elektrons/Positrons und Neutrino-Paare abgeführt wird.

Der pion Produktionsprozess beginnt an einer höheren Energie als gewöhnliche Elektronpositron-Paar-Produktion (lepton Produktion) von Protonen, die den CMB zusammenpressen, der an kosmischen Strahl-Protonenenergien nur über 10eV anfängt. Jedoch, pion Produktionsereignisse dränieren 20 % der Energie eines kosmischen Strahl-Protons im Vergleich zu nur 0.1 % seiner Energie für die Elektronpositron-Paar-Produktion. Dieser Faktor 200 ist von zwei Quellen: Der pion hat nur ungefähr ~130mal die Masse des leptons, aber die Extraenergie erscheint als verschiedene kinetische Energien des pion oder leptons, und läuft relativ auf mehr kinetische Energie hinaus, die einem schwereren Produkt pion übertragen ist, um Schwung zu erhalten. Die viel größeren Gesamtenergie-Verluste von der pion Produktion laufen auf den pion Produktionsprozess hinaus, der der beschränkende für die hohe Energie kosmisches Strahl-Reisen, aber nicht der Produktionsprozess des Lichtes-lepton der niedrigeren Energie wird.

Der pion Produktionsprozess geht weiter, bis die kosmische Strahl-Energie unter der pion Produktionsschwelle fällt. Wegen des Mittelpfads, der mit dieser Wechselwirkung, extragalactic kosmische Strahlen vereinigt ist, die über Entfernungen reisen, die größer sind als 50 Mpc (163 Mly) und mit Energien, die größer sind als diese Schwelle, sollte auf der Erde nie beobachtet werden. Diese Entfernung ist auch bekannt als GZK Horizont.

Kosmisches Strahl-Paradox

Mehrere Beobachtungen sind durch das AGASA-Experiment gemacht worden, das geschienen ist sich zu zeigen, kosmische Strahlen von entfernten Quellen mit Energien über dieser Grenze (hat ultraenergiereiche kosmische Strahlen oder UHECRs genannt). Die beobachtete Existenz dieser Partikeln war das so genannte GZK Paradox oder kosmische Strahl-Paradox.

Diese Beobachtungen scheinen, den Vorhersagen der speziellen Relativität und Partikel-Physik zu widersprechen, weil sie jetzt verstanden werden. Jedoch gibt es mehrere mögliche Erklärungen für diese Beobachtungen, die diese Widersprüchlichkeit auflösen können.

• Die Beobachtungen konnten wegen eines Instrument-Fehlers oder einer falschen Interpretation des Experimentes, besonders falscher Energieanweisung sein.
• Die kosmischen Strahlen konnten lokale Quellen gut innerhalb des GZK Horizonts haben (obwohl es unklar ist, was diese Quellen sein konnten).
• Schwerere Kerne konnten vielleicht die GZK-Grenze überlisten.

Schwach aufeinander wirkende Partikeln

Ein anderer Vorschlag schließt ultrahohe Energie ein, die schwach Partikeln aufeinander wirkt (zum Beispiel, neutrinos), der in großen Entfernungen geschaffen werden und später lokal reagieren könnte, um die beobachteten Partikeln zu verursachen. Im vorgeschlagenen Z-Platzen-Modell kollidiert ein ultrahohes kosmisches Neutrino mit einem Reliquie-Antineutrino in unserer Milchstraße und vernichtet zu hadrons. Dieser Prozess geht über einen (virtuellen) Z-Boson weiter:

Die böse Abteilung für diesen Prozess wird groß, wenn das Zentrum der Massenenergie des Neutrino-Antineutrino-Paares der Masse von Z-Boson gleich ist (solch eine Spitze in der bösen Abteilung wird "Klangfülle" genannt). Annehmend, dass das Reliquie-Antineutrino, die Energie des Ereignisses beruhigt ist, das kosmisches Neutrino sein muss:

wo die Masse des Z-Bosons und die Masse des Neutrinos ist.

Vorgeschlagene Theorien für Partikeln über der GZK-Abkürzung

Mehrere exotische Theorien sind vorgebracht worden, um die AGASA Beobachtungen einschließlich der doppelt speziellen Relativität zu erklären. Jedoch wird es jetzt gegründet, dass Standard doppelt spezielle Relativität keine GZK Unterdrückung (oder GZK Abkürzung) gegen Modelle der Symmetrie-Übertretung von Lorentz voraussagt, die mit einem absoluten Rest-Rahmen verbunden ist. Andere mögliche Theorien schließen eine Beziehung mit der dunklen Sache, dem Zerfall von exotischen superschweren Partikeln außer denjenigen ein, die im Standardmodell gewusst sind.

Widerstreitende Beweise für die GZK-Abkürzung

Im Juli 2007, während der 30. Internationalen Kosmischen Strahl-Konferenz in Mérida, Yucatán, México, dem Hohen Entschlossenheitsfliege-Augenexperiment (Mieten) und der Erdbohrer hat Internationale Kollaboration ihre Ergebnisse auf ultraenergiereichen kosmischen Strahlen präsentiert. HiRes hat eine Unterdrückung im UHECR Spektrum an gerade der richtigen Energie beobachtet, nur 13 Ereignisse mit einer Energie über der Schwelle beobachtend, während er 43 ohne Unterdrückung erwartet. Dieses Ergebnis ist in den Physischen Rezensionsbriefen 2008 veröffentlicht worden, und weil solcher die erste Beobachtung der GZK Unterdrückung ist. Die Erdbohrer-Sternwarte hat dieses Ergebnis bestätigt: Statt der 30 Ereignisse, die notwendig sind, um die AGASA-Ergebnisse zu bestätigen, hat Erdbohrer nur zwei gesehen, die, wie man glaubt, schwere Kern-Ereignisse sind. Gemäß Alan Watson, Sprecher für die Erdbohrer-Kollaboration, wie man gezeigt hat, sind AGASA Ergebnisse vielleicht wegen der systematischen Verschiebung in der Energieanweisung falsch gewesen.

Extreme Universe Space Observatory (EUSO)

EUSO, der auf dem Plan gestanden hat, um auf International Space Station (ISS) 2009 zu fliegen, wurde entworfen, um die Technik der atmosphärischen Fluoreszenz zu verwenden, um ein riesiges Gebiet zu kontrollieren und die Statistik von UHECRs beträchtlich zu erhöhen. EUSO soll einen tiefen Überblick über UHECR-veranlasste umfassende Luftschauer (EASs) vom Raum machen, das gemessene Energiespektrum gut außer der GZK-Abkürzung erweiternd. Es soll nach dem Ursprung von UHECRs suchen, die Natur des Ursprungs von UHECRs bestimmen, einen Vollhimmel-Überblick über die Ankunftrichtung von UHECRs zu machen und sich zu bemühen, das astronomische Fenster auf dem Weltall der äußersten Energie mit neutrinos zu öffnen. Das Schicksal der EUSO Sternwarte ist noch unklar, da NASA Frühpension des ISS denkt.

Das Fermi Gammastrahl-Raumfernrohr, um Widersprüchlichkeiten aufzulösen

Gestartet im Juni 2008 wird das Fermi Gammastrahl-Raumfernrohr (früher GLAST) auch Daten zur Verfügung stellen, die helfen werden, diese Widersprüchlichkeiten aufzulösen.

• Mit dem Fermi Gammastrahl-Raumfernrohr hat man die Möglichkeit, Gammastrahlung von den frisch beschleunigten Kernen des kosmischen Strahls an ihrer Beschleunigungsseite (die Quelle des UHECRs) zu entdecken.
• UHECR in Astrophysical-Gegenständen beschleunigte Protone erzeugen sekundäre elektromagnetische Kaskaden während der Fortpflanzung in den kosmischen Mikrowellen- und Infrarothintergründen, von denen der GZK-Prozess der pion Produktion einer der Mitwirkenden ist. Solche Kaskaden können zwischen 1 % und 50 % des GeV-TeVs weitschweifigen durch das SILBERREIHER-Experiment gemessenen Foton-Fluss beitragen. Das Fermi Gammastrahl-Raumfernrohr kann diesen Fluss entdecken.

Mögliche Quellen von UHECRs

Im November 2007 haben Forscher an der Sternwarte von Pierre Auger bekannt gegeben, dass sie Beweise hatten, dass UHECRs scheinen, aus den aktiven galaktischen Kernen (AGNs) von energischen Milchstraßen zu kommen, die durch die Sache angetrieben sind, die auf ein supermassives schwarzes Loch wirbelt. Die kosmischen Strahlen wurden entdeckt und haben zurück zum AGNs das Verwenden des Véron-Cetty-Véron Katalogs verfolgt. Diese Ergebnisse werden in der Zeitschrift Wissenschaft berichtet. Dennoch hat sich die Kraft der Korrelation mit AGNs aus diesem besonderen Katalog für die nach 2007 registrierten Daten von Auger langsam vermindert.

Sternwarte von Pierre Auger resultiert auf UHECRs über der GZK-Grenze

Gemäß der durch die ERDBOHRER-Kollaboration gemachten Analyse kann die Existenz der GZK Abkürzung bestätigt worden sein, aber wichtige Unklarheiten bleiben in der Interpretation der experimentellen Ergebnisse, und weitere Arbeit ist erforderlich.

2010 haben Endresultate Des Hohen Entschlossenheitsfliege-Auges (Mieten) Experiment frühere Ergebnisse der GZK Abkürzung vom Experiment von HiRes wiederbestätigt. Die Ergebnisse wurden vorher in die Frage gebracht, als das AGASA-Experiment von der Unterdrückung der GZK Abkürzung in ihrem Spektrum angedeutet hat. Die ERDBOHRER-Kollaborationsergebnisse stimmen mit einigen Teilen der Endresultate von HiRes auf der GZK Abkürzung überein, aber einige Diskrepanzen bleiben noch.

Siehe auch

• Ultraenergiereicher kosmischer Strahl
• Zevatron

Links

• Rutgers Universität experimentelle hohe Energiephysik MIETET Forschungsseite
• Sternwarte-Seite von Pierre Auger
• Kosmischer-ray.org
• "Konnte das Ende in Sicht für ultraenergiereiche kosmische Strahlen sein?", Subir Sarkar, PhysicsWeb, 2002
• Geschichte der kosmischen Strahl-Forschung
• Vakuumstruktur, Lorentz Symmetrie und Superluminal Partikeln, durch L. Gonzalez-Mestres und andere Vorträge von demselben Autor.