فيزياء الجسيمات الفلكية

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

فيزياء الجسيمات الفلكية ، أو ما يُعرف أيضًا بفيزياء الجسيمات الفلكية ، هي فرع من فيزياء الجسيمات يدرس الجسيمات الأولية ذات الأصل الفلكي وعلاقتها بالفيزياء الفلكية وعلم الكونيات . وهو مجال بحثي حديث نسبيًا، نشأ عند تقاطع فيزياء الجسيمات، وعلم الفلك ، والفيزياء الفلكية، وفيزياء الكواشف ، والنسبية ، وفيزياء الحالة الصلبة ، وعلم الكونيات. وقد شهد هذا المجال، مدفوعًا جزئيًا باكتشاف تذبذب النيوترينو ، تطورًا سريعًا، نظريًا وتجريبيًا، منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. [ 1 ]

تاريخ

نشأ مجال فيزياء الجسيمات الفلكية من علم الفلك البصري. ومع تطور تقنيات الكشف، برزت الفيزياء الفلكية الأكثر نضجًا، والتي شملت فروعًا فيزيائية متعددة، مثل الميكانيكا ، والديناميكا الكهربائية ، والديناميكا الحرارية ، وفيزياء البلازما ، والفيزياء النووية ، والنسبية، وفيزياء الجسيمات. وقد وجد علماء فيزياء الجسيمات ضرورةً في الفيزياء الفلكية نظرًا لصعوبة إنتاج جسيمات ذات طاقة مماثلة لتلك الموجودة في الفضاء. فعلى سبيل المثال، يحتوي طيف الأشعة الكونية على جسيمات ذات طاقات تصل إلى 10²⁰ إلكترون فولت ، بينما يحدث تصادم بروتون-بروتون في مصادم الهادرونات الكبير عند طاقة تبلغ حوالي 10¹² إلكترون فولت.  

يمكن القول إن هذا المجال بدأ عام 1910، عندما قام الفيزيائي الألماني ثيودور وولف بقياس التأين في الهواء، وهو مؤشر على إشعاع غاما، عند قاعدة وأعلى برج إيفل . ووجد أن التأين عند القمة كان أعلى بكثير مما كان متوقعًا إذا نُسب هذا الإشعاع إلى مصادر أرضية فقط. [ 2 ]

افترض الفيزيائي النمساوي فيكتور فرانسيس هيس أن جزءًا من التأين ناتج عن إشعاع من السماء. وللدفاع عن هذه الفرضية، صمم هيس أجهزة قادرة على العمل على ارتفاعات عالية، وأجرى رصدًا للتأين حتى ارتفاع 5.3  كيلومتر. بين عامي 1911 و1913، قام هيس بعشر رحلات جوية لقياس مستويات التأين بدقة متناهية. وبناءً على حسابات سابقة، لم يتوقع وجود أي تأين فوق ارتفاع 500  متر إذا كانت المصادر الأرضية هي السبب الوحيد للإشعاع. إلا أن قياساته كشفت أنه على الرغم من انخفاض مستويات التأين مبدئيًا مع الارتفاع، إلا أنها بدأت في الارتفاع بشكل حاد عند نقطة معينة. وفي ذروة رحلاته، وجد أن مستويات التأين كانت أعلى بكثير مما هي عليه على سطح الأرض. عندها استنتج هيس أن "إشعاعًا ذا قدرة اختراق عالية جدًا يدخل غلافنا الجوي من الأعلى". علاوة على ذلك، تزامنت إحدى رحلات هيس مع كسوف شبه كلي للشمس. بما أنه لم يلاحظ انخفاضًا في مستويات التأين، استنتج هيس أن المصدر لا بد أن يكون أبعد في الفضاء. وبفضل هذا الاكتشاف، كان هيس أحد الحاصلين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936. وفي عام 1925، أكد روبرت ميليكان نتائج هيس، وصاغ لاحقًا مصطلح " الأشعة الكونية ". [ 3 ]

يفضل العديد من الفيزيائيين المطلعين على أصول مجال فيزياء الجسيمات الفلكية أن ينسبوا "اكتشاف" هيس للأشعة الكونية إلى نقطة انطلاق هذا المجال. [ 4 ]

مواضيع البحث

رغم صعوبة تحديد وصفٍ معياريٍّ لمجال فيزياء الجسيمات الفلكية، إلا أنه يمكن تمييز هذا المجال من خلال مواضيع البحث التي يجري العمل عليها بنشاط. تقبل مجلة فيزياء الجسيمات الفلكية الأبحاث التي تركز على التطورات الجديدة في المجالات التالية: [ 5 ]

  • فيزياء الأشعة الكونية عالية الطاقة والفيزياء الفلكية ؛
  • علم الكونيات الجسيمية؛
  • فيزياء الجسيمات الفلكية؛
  • الفيزياء الفلكية ذات الصلة: المستعر الأعظم ، النوى المجرية النشطة ، الوفرة الكونية، المادة المظلمة ، إلخ؛
  • علم الفلك لأشعة غاما عالية الطاقة، وأشعة غاما ذات الطاقة العالية جدًا، وأشعة غاما ذات الطاقة العالية جدًا؛
  • علم الفلك النيوترينو عالي ومنخفض الطاقة؛
  • تطوير الأجهزة وأجهزة الكشف المتعلقة بالمجالات المذكورة أعلاه.

أسئلة مفتوحة

تتمثل إحدى المهام الرئيسية لمستقبل هذا المجال ببساطة في تعريف نفسه تعريفاً شاملاً يتجاوز التعريفات العملية، وتمييزه بوضوح عن الفيزياء الفلكية والمواضيع الأخرى ذات الصلة. [ 4 ]

تشمل المشكلات الحالية التي لم تُحل في مجال فيزياء الجسيمات الفلكية توصيف المادة المظلمة والطاقة المظلمة . وقد كشفت رصدات السرعات المدارية للنجوم في مجرة ​​درب التبانة ومجرات أخرى، والتي بدأها والتر باد وفريتز زويكي في ثلاثينيات القرن العشرين، إلى جانب السرعات المرصودة للمجرات في العناقيد المجرية، عن حركة في أطراف الكون تتجاوز بكثير سرعة المادة المرئية اللازمة لتفسير ديناميكياتها الجاذبية. ومنذ أوائل التسعينيات، تم التوصل إلى بعض التفسيرات التي تُفسر جزئيًا بعض المادة غير القابلة للكشف، لكنها لا تكفي بأي حال من الأحوال لتقديم تفسير كامل. ويشير اكتشاف تسارع الكون إلى أنه بالإضافة إلى "المادة المظلمة"، يلعب مكون إضافي، يُطلق عليه اسم "الطاقة المظلمة"، دورًا هامًا في فراغنا الديناميكي. [ 6 ]

سؤال آخر يطرحه علماء فيزياء الجسيمات الفلكية هو: لماذا يوجد في الكون اليوم كمية من المادة تفوق بكثير كمية المادة المضادة؟ يُطلق مصطلح "تكوين الباريونات" على العمليات الافتراضية التي أنتجت أعدادًا غير متساوية من الباريونات والباريونات المضادة في الكون المبكر، وهذا هو السبب في أن الكون اليوم يتكون من المادة وليس من المادة المضادة. [ 6 ]

المرافق التجريبية

أدى التطور السريع لهذا المجال إلى تصميم أنواع جديدة من البنية التحتية. ففي المختبرات تحت الأرض، أو باستخدام تلسكوبات وهوائيات وتجارب فضائية مصممة خصيصًا، يوظف علماء فيزياء الجسيمات الفلكية أساليب كشف جديدة لرصد طيف واسع من الجسيمات الكونية، بما في ذلك النيوترينوات وأشعة غاما والأشعة الكونية ذات الطاقات العالية. كما يبحثون عن المادة المظلمة وموجات الجاذبية . ويواجه علماء فيزياء الجسيمات التجريبية قيودًا بسبب تقنية مسرعات الجسيمات الأرضية، التي لا تستطيع إنتاج سوى جزء ضئيل من الطاقات الموجودة في الطبيعة.

فيما يلي قائمة غير مكتملة بالمختبرات والتجارب في فيزياء الجسيمات الفلكية.

مختبرات تحت الأرض

تقع هذه المرافق في أعماق الأرض، لحماية التجارب الحساسة للغاية من الأشعة الكونية التي من شأنها أن تحول دون رصد الظواهر النادرة للغاية.

كاشفات النيوترينو

هناك حاجة إلى أجهزة كشف كبيرة جدًا للنيوترينو لتسجيل التفاعلات النادرة للغاية للنيوترينو مع المادة الذرية.

  • آيس كيوب (أنتاركتيكا). أكبر كاشف جسيمات في العالم، تم الانتهاء من بنائه في ديسمبر 2010. يهدف الكاشف إلى دراسة النيوترينوات عالية الطاقة، والبحث عن المادة المظلمة، ورصد انفجارات المستعرات العظمى، والبحث عن جسيمات غريبة مثل الأقطاب المغناطيسية الأحادية. [ 7 ]
  • أنتاريس ( تولون ، فرنسا). كاشف نيوترينو يقع على عمق 2.5  كيلومتر تحت سطح البحر الأبيض المتوسط ​​قبالة سواحل تولون، فرنسا. صُمم لتحديد موقع تدفق النيوترينو ومراقبته في اتجاه نصف الكرة الجنوبي.
  • مشروع نيستور ( بيلوس ، اليونان ). يهدف التعاون الدولي إلى نشر تلسكوب نيوترينو في قاع البحر قبالة بيلوس، اليونان.
  • BOREXINO ، وهو كاشف يعمل في الوقت الحقيقي، تم تركيبه في LNGS ، وهو مصمم للكشف عن النيوترينوات القادمة من الشمس باستخدام هدف من مادة وميضية سائلة عضوية . [ 8 ]

أجهزة الكشف عن المادة المظلمة

تُخصص التجارب للكشف المباشر عن تفاعلات المادة المظلمة مع مادة هدف الكاشف.

مراصد الأشعة الكونية

تشمل الجهات المهتمة بالكشف عن الأشعة الكونية عالية الطاقة ما يلي:

  • يرصد مرصد بيير أوجيه ( مالارغوي ، الأرجنتين ) الأشعة الكونية عالية الطاقة ويدرسها باستخدام تقنيتين. الأولى هي دراسة تفاعلات الجسيمات مع الماء الموجود في خزانات كاشفة سطحية. أما التقنية الثانية فهي تتبع تطور زخات الأشعة الكونية من خلال رصد الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة في طبقات الجو العليا للأرض. [ 9 ]
  • مشروع مصفوفة التلسكوب ( دلتا، يوتا )، وهو تجربة للكشف عن الأشعة الكونية فائقة الطاقة (UHECRs) باستخدام مصفوفة أرضية وتقنيات التألق في صحراء غرب يوتا.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دي أنجيليس، أليساندرو؛ بيمينتا، ماريو (2018). مقدمة في فيزياء الجسيمات وفيزياء الجسيمات الفلكية (علم الفلك متعدد الإرسال وأسسه في فيزياء الجسيمات) . سبرينغر. doi : 10.1007/978-3-319-78181-5 . ISBN 978-3-319-78181-5.
  2. ↑ لونغ إير، إم إس (1981). فيزياء الطاقة العالية الفلكية . كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج . ص 11. ISBN  978-0-521-23513-6.
  3. ↑ "17 أبريل 1912: رحلة بالون فيكتور هيس أثناء الكسوف الكلي لقياس الأشعة الكونية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 سبتمبر 2013 .
  4. 1 2 سيركل-بارتلت، فانيسا (2008). "تاريخ فيزياء الجسيمات الفلكية ومكوناتها" . مراجعات حية في النسبية . 11 (2): 7. Bibcode : 2008LRR....11....7F . doi : 10.12942/lrr-2008-7 . PMC 5256108. PMID 28179823. تاريخ الاسترجاع: 23 يناير 2013 .  
  5. ↑ فيزياء الجسيمات الفلكية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 سبتمبر 2013 .
  6. 1 2 جروبن، كلاوس (2005). فيزياء الجسيمات الفلكية . سبرينغر. ISBN 978-3-540-25312-9.
  7. ↑ "IceCube – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23 يناير 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يناير 2013 .
  8. ↑ http://borex.lngs.infn.it مؤرشف بتاريخ 23 يوليو 2012 في أرشيف الإنترنت
  9. ↑ "الصفحة الرئيسية" . مؤرشف من الأصل في 6 مايو 2013. تم الاطلاع عليه في 29 أبريل 2013 .