Aman Allahım parçacığı

by John Walker, January 4, 1994

 

 

 

 

Utah Üniversitesi Sinek Gözü II adında bir kozmik ışın detektörüne sahip. Sinek Gözü gece göğünü izleyen bir dizi teleskoptur. Yüksek enerjili kozmik ışınların atmosferle çarpışması sonucu ortaya çıkan mavi parlamaları kaydeder. Detektör personeli parlamanın yoğunluğuna ve yüksekliğine bakarak parçacığı tanımlayabilir ve onun enerjisini hesaplayabilir.
15 Kasım 1991 gecesi Sinek Gözü 3.2±0.9×1020 eV enerjili bir proton tespit etti. Bir karşılaştırma olması için, geçenlerde iptal edilen Süperiletken Süper Çarpıştırıcı (Superconducting Super Collider, SSC) protonları 20 TeV (2×1013)ye kadar hızlandırabiliyordu. Bu enerji Sinek Gözünün tespit ettiği protonun enerjisinden 10 milyon kat daha azdır. Bu Aman-Allahım parçacığının enerjisi 51 jouledür. Bu enerji 40 wattlık bir lambayı 1 saniyeden fazla bir süre yakacak kadar büyüktür. Utah Üniversitesi'nden fizikçi Pierre Sokolsky'nin ifadesiyle, ayak parmağınıza düşen tuğlanın enerjisi kadardır. Saatte 55 mil hızla giden bir beyzbol topunun enerjisi de bu kadardır.
Eldeki bütün bilgiler bu parçacığın bir proton olduğuna işaret ediyor. Protonun durgun kütlesi 938.28 MeV ya da kabaca 1 GeV (1×109 eV) tur. Parçacığın enerjisinin geri kalanı hareket enerjisidir. Haydi biraz sayılarla uğraşalım.
Mikrobial kütle
Kütle ve enerji eşitliği bağıntısını kullanarak, 3×1020 eV enerjili bir parçacığın durgun kütlesinin yaklaşık 5×10-13 gram olduğunu hesaplarız. Bu size bir şey ifade etmeyebilir, ama bunun yaklaşık 3×1011 dalton olduğunu hatırlarsak (1 dalton hidrojen atomunun ağırlığıdır) parçacığın görünen kütlesinin E. Coli bakterisininki kadar olduğunu fark ederiz. Bu bakterinin kütlesi 5×1011 daltondur. Yani, bu bir tek parçacığın kütlesi bir bakterininki kadardır.
Ne kadar hızlı?

Bu parçacığın hızı ne? Çok, çok büyük. Özel relativite formüllerine göre,
parçacığın hızı yaklaşık olarak

v = 0.9999999999999999999999951c çıkar.
Işık hızını 3×108 m/s olarak alırsak, parçacığın hızının 2.9999999999999999999999853×108 m/s olduğunu buluruz. Bu da onun ışıktan 1.467×10-15 m/s (1.5 femtometre/s) daha yavaş olduğunu anlamına gelir. Yani, başlangıçta bir ışık fotonuyla birlikte yola çıkmış olsalar, 1 ışık yılı sonra bu parçacık fotondan sadece 0.15 femtosaniye (veya 46 nanometre) geride kalır.
Parçacık zamanı
Hareket eden bir sistemde zamanın yavaşlamasını veren bağıntıya göre,

v/c yi bildiğimize göre artık parçacığın zamanını hesaplayabiliriz:
t/t0 = 3.197×1011 olur. Bu da parçacığın zamanının bize göre 300 milyon defa daha yavaş aktığı anlamına gelir. Parçacık bu hızla giderken yerden bakan gözlemciye göre ve parçacığa göre bazı zaman karşılaştırmaları yapalım:

Nesne Alpha Centauri Galaksi Çekirdeği Andromeda galaksisi Virgo Kümesi Quasar 3C273 Evrenin Ucu

Uzaklık (ışık yılı) 4.36 32,000 2,180,000 42,000,000 2,500,000,000 17,000,000,000

Parçacığın Zamanı 0.43 ms 3.2 s 3.5 dk 1.15 sa 3 gün 19 gün

Demek ki, bu hızla gidiyor olsaydık, görünür evrenin ucuna iki-üç hafta sonra ulaşabilecektik. Ancak ne yazık ki, bu kadar hızlanabilecek kadar enerjiyi bulup da uzay aracımızı bu hıza ulaştırabilseydik bile pek uzağa gidemezdik. Çünkü uzayın kozmik fonunu teşkil eden mikrodalga radyasyonu ve oralardaki diğer foton ve atomaltı parçacıklarla etkileşim sonucu (bir tür sürtünme etkisi) sürekli enerji kaybederdik. Sokolsky'nin hesaplarına göre 3×1020 eV enerjili bir proton bile enerjisini bu şekilde kaybetmeden10 megaparsekten öteye gidemez. Bu mesafe de Virgo (Başak) galaksi kümesinin uzaklığı kadardır.
Hızlı git, incel
Son olarak da Aman Allahım parçacığının hareketi sonucu ortaya çıkan boyca kısalmaları inceleyelim. Lorentz transformasyonlarına göre, hareket doğrultusunda boyca kısalma,
dir.
Buna göre, parçacığın etrafı nasıl gördüğüne bir bakalım:

Nesne	Durgun Gözlemciye Göre Kalınlık	Parçacığa Göre Kalınlık
Yer Yarıçapı Güneş Sistemi Güneş/Alpha Centauri Samanyolu Galaksisi	12,756 km 80 AU 4.3 ışık yılı 30 kiloparsek	0.0399 mm 37 m 127 km 2,895,000 km, (Ay-Dünya arası uzaklığın yaklaşık 10 katı)

Ama nasıl?
Böyle bir parçacık nasıl üretilmiş olabilir? Ne tür bir kozmik proses sıradan bir protonu ayağa düşen bir tuğla kadar ağır hale getirebilir?
Bunu kimse bilmiyor. Bu kadar enerjisi olan bir parçacık galaktik magnetik alanlarla çok az saptırılabilir, bu nedenle parçacığın geldiği yöne bakarak kaynağı görebilmeliyiz. Astronomlar o yönde hiç bir acayiplik görmüyor.

Evren zengin bir sır kaynağı...