OMG-osakene ja kosmilised kiired

15. oktoobril, 1991. aastal registreeris USA Utah kõrbes asuv kosmilise kiirguse detektor Maa atmosfääriga põrkuvat seni suurima energiaga osakese, mis nimetati kiirelt Oh My God (Oh mu jumal) osakeseks ehk lühidalt OMG-osakeseks. Tõenäoliselt üksik prooton ehk vesiniku aatom liikus enne põrget kiirusega, mis moodustab valguse kiirusest vaakumis 99.99999999999999999999951% ning selle koguenergiaks mõõdeti (3.2±0.9)×10^20 elektronvolti.

Taoliste arvude mõistmiseks tuleb appi võtta mõned võrdlused. Alustame kiirusest. Vastavalt Einsteini erirelatiivsusteooriale ei saa ükski massi omav osakene või nendest koosnev objekt liikuda kiiremini kui valguse kiirus vaakumis - 299 792,458 kilomeetrit sekundis. Valgus (elektromagnetkiirgus) ise koosneb muidu massita footonitest, mis liiguvadki ainult eeltoodud kiirusel. Massi omavat keha saab seega lõpmatuseni lähenevaid energiaid kulutades kiirendada küll valguse kiiruseni lõputult lähenevatele kiirustele, kuid mitte kunagi täpselt selleni. OMG-osakese kiirus 99.99999999999999999999951% valguse kiirusest on sellele nii lähedal, et footonil kuluks selle ees 1 sentimeetrise edumaa saavutamiseks 215 tuhat aastat.

Sellistel niinimetatud relativistlikel kiirustel leiab aset üks teine ebaintuitiivne, kuid igati reaalne ja erirelatiivsusteooriast välja kooruv efekt - ajamoone (time dialation). Nimelt mida kiiremini objekt liigub, seda aeglasemalt näib selle objekti jaoks kulgevat aeg võrreldes paigalseisva vaatlejaga (taustsüsteemiga). Meile tuttavate igapäevaste kiiruste puhul on see efekt praktiliselt mõõtmatult tühise suurusega, kuid muutub valguse kiirustele lähenevate kiiruste puhul dramaatiliseks. Näiteks 7 kilomeetrit sekundis Maa ümber tiirleva Rahvusvahelise Kosmosejaama (ISS) pardal pool aastat veetnud astronautide jaoks on kulunud umbes 0,005 sekundit vähem aega, kui maapinnal asuvate inimeste jaoks. Kui me aga oletame, et valguse kiirusele lähenev OMG-osakene alustas oma retke 1,5 miljardit valgusaasta kauguselt (ehk siis 1,5 miljardit aastat tagasi), siis osakese enda ajapidamise järgi kulus tal selle vahemaa läbimiseks vaid 1 päev ja 17 tundi.

Kunstniku nägemus kosmilistest kiirtest ja nende kohtumisel Maa atmosfääriga tekkivate sekundaarsete osakeste kaskaadidest. Selliseid kohtumisi esineb umbes 10 tuhat igas sekundis iga atmosfääri ruutmeetri kohta.

Nüüd räägime energiatest. Prootoni massi ja kiirust korrutades saame, et selle koguenergia pidi olema kusagil 3.2×10^20 elektronvolti ehk 51 džauli. See on umbes 10 astmes 20 suurem (100 kvintiljonit ehk 100 miljardit miljardit) kui ühe nähtava valguse footoni energia. Argipäeva ümber tõlkides on see umbes selline energia mida läheb vaja 51 kilogrammise objekti 9,8 sentimeetri kõrgusele kergitamiseks või kineetiline energia, mida omab 142 grammi kaaluv pesapall liikudes 90 kilomeetrit tunnis.

Kuigi pealtnäha ei ole tegemist kuigi tohutu energiaga, tuleks meeles pidada, et see kõik sisaldus vaid ühes prootonis. Aga kui väike on üks prooton? Taaskord tuleb mängu tuua mõned analoogiad. Kõigepealt proovime ette kujutada, et kui suur on aatom, mille tuumast me tavaliselt prootoneid leiame (prootoni arv aatomituumas määrab ära, et mis elemendiga on tegemist. Näiteks vesiniku aatomi tuumas on üks positiivselt laetud prooton, heeliumi tuumas kaks, liitiumi tuumas kolm jne. Lisaks leiab vesinikust raskemate elementide tuumast neutraalseid neutroneid ning tuuma ümber "tiirlevaidd" negatiivseid elektrone). Selleks kasutame USA füüsiku Richard Feynmani võrdlust - kui näiteks üks keskmine õun paisutada sama suureks kui planeet Maa, siis individuaalsed aatomid on umbes sama suured kui algsed õunad võrdluses Maaga. Aatomi keskel asuv prooton (ütleme, et tegemist on vesiniku aatomitega ja neid on seal vaid üks) oleks aga isegi sellise õuna suuruse aatomi puhul nähtamatult väike. Kui nüüd aatomid paisutada omakorda jalgpallistaadioni suuruseks, siis prooton oleks kusagil hernetera mõõtu. Seega päris palju jaksu ühe tibatillukese hernetera kohta.

Kunstniku nägemus osakeste müriaadist, mida näiteks eriti kõrge energiaga prooton tekitab. Osakesed ise jäävad silmale muidugi nähtamatuks.

Kui seda võrrelda inimkonna praeguste võimetega, siis OMG-osakene kätkes endas kusagil 40 miljonit korda rohkem energiat, kui kõige energeetilisem osakene, mida meie võimsamas CERNi suures hadronipõrgutis on suudetud tekitada. Samas kui sooviksime uurida universumi ehitust niinimetatud Plancki mõõtkavades, kus juhtivate teooriate (pigem vist hüpoteeside) kohaselt peaksid kõik elementaarsed jõud ühinema, peaksime me osakestele andma omakorda veel 40 miljonit korda suurema energia kui emake loodus OMG-osakesele andis. Selline prooton peaks liikuma valguse kiirusele nii lähedal, et footonil kuluks selle ees 1 sentimeetrise edumaa saavutamiseks 26 miljardit korda kauem kui universumi senine vanus. Ainult sellisel juhul oleks osakesel piisavalt energiat, et lasta meil uurida universumi niiöelda miinimummõõtmeid. Kui väikesed need mõõtmed siis on? Kui prooton paisutada nähtava universumi suuruseks, siis nii-nimetatud Plancki pikkus oleks vahemaa Tokio ja Chicago vahel.

Tulles aga tagasi OMG-osakese juurde, siis kindlasti on nüüdseks tekkinud küsimus, et kuidas selline osakene üldse hoo sisse sai ja kust see tuli. Paraku ei saa me seda ilmselt kunagi täpselt teada, kuid hilisem kosmiliste kiirte uurimine on vihjanud, et need peavad pärinema väljaspoolt meie galaktikat (sest neid tuleb igast suunast umbes sama tihedalt) ning suurem osa neist tekib tõenäoliselt supernoovade käigus. OMG-osakene, nagu ka teised selle energiale lähenevad osakesed, võis aga pärineda mõne kauge galaktika aktiivsest tuumast. Seda viimast arvatakse sellel lihtsal põhjusel, et me ei tea universumis ühtegi teist piisavalt energeetilist objekti või protsessi.

Diagramm kosmilise kiire hargnemisest sekundaarseteks osakesteks.

Maa atmosfääriga kohtub ühtekokku kusagil 10 tuhat kosmilist kiirt (prootonid, alasti aatomituumad, elektronid) ühe ruutmeetri kohta ühes sekundis. Põrkudes suurel kiirusel atmosfääris leiduvate aatomitega, lagunevad need niinimetatud sekundaarseteks osakesteks - prootoniteks, neutroniteks, elektronideks, neutriinodeks, piioniteks, müüoniteks jne. Neist viimaseid jõuab ka ohtralt maapinnani, kus neid on viimasel ajal hakatud kasutama omamoodi looduslike "läbivalgustajatena". Näiteks Eestis tegutsev ettevõte G-Scan kasutab müüonite "vihma" selleks, et postisaadetistest välja nuhkida keelatud aineid ja materjale. Võimatud ei ole ka lahendused, kus nende abil saab uurida tervete majade (näiteks püramiidide) või isegi mägede sisemist strukutuuri. Sellest saab lähemalt kuulata hiljutisest Kukuraadio saatest Kukkuv Õun: https://kuku.pleier.ee/podcast/kukkuv-oun/105470

Peale praktiliste kasutuste tekitavad kosmilised kiired ka kõiksugu muid kasulikke ja kahjulikke nähtusi. Näiteks nagu huvitavaid keemilisi reaktsioone atmosfääris, ebastabiilsete isotoopide teket, välgulöökide algeid, vigu elektroonika töös (mõelda, järgmine kord kui nutitelefon kinni kiilub võib selle põhjustajaks olla prooton kaugest galaktikatuumast), radioaktiivsust lennureisidel ja planeetidevahelistel mehitatud reisidel, mutatsioone elusolendite geneetilises koodis ning võib olla isegi minevikus aset leidnud massilisi väljasuremisi või drastilisi kliimamuutuseid.

Kõige naljakam (või siis mitte) on, et kosmilisi kiiri on teatud oludes võimalik isegi silmaga näha. Näiteks ISS astronaudid (ja Apollo astronaudid enne neid) näevad kinniste silmadega regulaarselt heledaid sähvatusi, mis tekivad kosmiliste kiirtest, mis läbivad nende silmi, võrkkesti, nägemisnärve või isegi nägemisega seotud ajurakke. Nagu kirjeldas ISS astronaut Don Pettit: “Kosmoses ma näen asju, mis ei ole seal. Sähvatusi mu silmades - otsekui heledaid tantsivaid haldjaid - on lihtne mu ülesannete igapäevasel täitmisel märkamata jätta. Aga minu pimedas magamiskapslis, kinniste silmadega magama jäädes, näen ma neid tantsivaid haldjaid selgelt. Kaduva teadvuse viimaste riismetega juurdlen ma selle üle, et kui palju neid mahuks tantsima orbitaalsele nõela tipule."

Kuigi maapinnal me kosmiliste kiirte algseid osakesi (näiteks suure energiaga prootoneid) naljalt ei kohta, võib täitsa koduste vahenditega jäädvustada nende poolt tekitatud sekundaarseid osakesi - müüoneid. Selleks tuleb võtta oma peegel- või digikaamera, katta selle objektiiv täiesti kinni ning jätta see timeri abiga jäädvustama pealtnäha täiesti tumedaid pika säriajaga kaadreid. Fotosid hiljem arvutis läbi vaadates võib neilt leida ülipeenikesi heledaid "niidikesi", mis kujutavad endast kaamerasensorist läbi läinud müüoneid. Müra vähendamiseks soovitame kaamera ISO seada umbes 1600 peale, säri sättida paari minutiliseks ning asetada kaamera jahedasse keskkonda (näiteks külmkappi). Kasuks tuleb ka see, kui kaamera sensor seada maapinnaga horisontaalseks, sest müüonid tulevad peamiselt ülevalt alla.

Meie üks kaader M3 kerasparvest, millele jäi tõenäoliselt kolm kosmilise kiirguse poolt tekitatud osakese (müüoni) jälge. Need oleks sinna jäänud ka kinnise katiku korral. Seda võib igaüks kodus ka proovida. Foto tuli muidu kokku selline: https://upload.wikimedia.org/.../5/50/M3_final2_torva.jpg

Kusjuures fakt, et müüonid üldse maapinnal asuva kaamerani jõuavad on üks hea näide eelmainitud relativistlikust ajamoondest. Nimelt on elektronist 207 korda massiivsemad müüonid nii ebastabiilsed, et need peaksid lagunema praktiliselt kohe peale oma teket atmosfääri ülakihtides ning need ei tohiks ajaliselt meieni küündida. Põhjus miks nad ilmselgelt seda teha suudavad, peitub nende valguse kiirusele lähenevas liikumiskiiruses, mis tähendab, et nende jaoks tiksub aeg aeglasemalt ning osakene suudab meie suhtelisest vaatenurgast "elada" piisavalt kaua, et meieni jõuda.

Astronoomid ja osakestefüüsikud kasutavad kosmiliste kiirte nii primaarsete kui sekundaarsete osakeste jäädvustamiseks ja tuvastamiseks mitmeid meetodeid (õhupallidest spetsiaalsete teleskoopideni), mida ei jõua siin hakata enam lahti seletama. Viimastel aastatel on aga välja pakutud üks huvitav idee, kuidas nende tuvastamisel saaks kasutada nutitelefonide abi. Nimelt on peaaegu meil kõigil nüüd taskus pisikesed kaamerasensorid (CMOS), mis istuvad seal enamuse ajast niisama. Kui need ühendada mingisugusesse ülemaailmsesse võrku, saaks põhimõtteliselt uurida eriti tugevate kiirte poolt tekitatud müüonisadude intensiivsust reaalajas.