100 триллионов «призраков» в секунду: сколько космических частиц пролетает сквозь ваше тело прямо сейчас
Каждую секунду через тело человека проходят триллионы нейтрино и десятки мюонов. Большинство из них не оставляют следа, но именно они напоминают: мы — часть космической истории длиной 13,8 миллиарда лет.
Каждую секунду каждого дня Землю бомбардируют частицы из космоса. Одни из них задерживаются атмосферой нашей планеты, но могут порождать потоки вторичных частиц, а другие проносятся сквозь атмосферу и легко проходят через что угодно, включая нас самих.
Вы не почувствуете, как эти частицы пролетают сквозь вас, но возникает вопрос: сколько космических частиц проходит через ваше тело в любой момент?
Самые распространенные частицы, пронизывающие нас из космоса, — это призрачные крупицы, известные как нейтрино. «По оценкам, каждую секунду через каждого из нас проходит 100 триллионов нейтрино», — рассказал Live Science Майкл Правица, профессор физики из Университета Невады в Лас-Вегасе.
Нейтрино почти не взаимодействуют с обычной материей. Практически все они проходят сквозь нас и остальную планету, не оставляя следа. «Тот факт, что большинство этих частиц никогда не взаимодействуют с нами, показывает: у нашего существования есть скрытая основа, о которой мы по большей части даже не подозреваем», — сказал Правица.
Нейтрино рождаются в результате ядерных процессов. Почти все нейтрино, проносящиеся сквозь нас, приходят от реакций ядерного синтеза, питающих Солнце, хотя некоторые из них происходят из гораздо более далеких мест — даже из других галактик, рассказала Live Science Лу Лу, доцент физики из Висконсинского университета в Мадисоне.
Другие внеземные частицы, постоянно бомбардирующие Землю, — это космические лучи: электрически заряженные высокоэнергетические частицы, летящие почти со скоростью света со всех направлений. Хотя ядерные реакции на Солнце порождают космические лучи очень низких энергий, подавляющее большинство космических лучей приходит из-за пределов Солнечной системы. Они могут возникать, когда далекие звезды взрываются сверхновыми, когда материя падает в сверхмассивные черные дыры или когда сталкиваются галактики.
Космические лучи в основном представляют собой протоны — ядра атомов водорода — или атомные ядра более тяжелых элементов (содержащие и протоны, и нейтроны), например гелия или железа. Электроны и позитроны (антиматериальные двойники электронов) также составляют крошечную долю космических лучей.
Когда космические лучи достигают Земли, их, как правило, останавливают молекулы воздуха высоко в атмосфере, пояснила Лу. Однако эти столкновения порождают ливни вторичных частиц, которые достигают поверхности. Среди них — мюоны, отрицательно заряженные субатомные частицы, похожие на электроны, но более чем в 200 раз массивнее.
На уровне моря через каждый квадратный сантиметр каждую минуту проходит примерно один мюон, отметила Лу. «Для человека речь идет о десятках или сотнях частиц в секунду, — сказала она. — Через ладонь каждую секунду проходит примерно один или два мюона».
Поскольку мюоны электрически заряжены, они могут взаимодействовать с веществом. «Их траектории можно сделать видимыми в камере Вильсона» — емкости с паром, в которой при пролете заряженной частицы появляется туманный след, пояснила Лу.
Нейтрино, напротив, не имеют электрического заряда и обладают почти нулевой массой. Эти два свойства делают нейтрино крайне трудными для регистрации, поэтому их часто называют «частицами-призраками».
Как регистрируют космические частицы
Ученые оценивают количество нейтрино, проходящих через наши тела, регистрируя «ту крошечную долю, которая случайно сталкивается с материей внутри детектора или рядом с ним, — объяснила Лу. — Все остальное вычисляется обратным расчетом на основе этих немногих событий».
Например, нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде окружает 1 кубический километр льда тысячами световых датчиков. «Когда нейтрино взаимодействует с атомным ядром во льду, оно порождает быстрые заряженные частицы, которые испускают слабую вспышку синего черенковского света, регистрируемую датчиками, — рассказала Лу. — По характеру и яркости этого света мы можем восстановить энергию и направление нейтрино».
Чтобы оценить, сколько нейтрино проходит через Землю на основе этих зарегистрированных взаимодействий, «мы учитываем размер детектора, время его работы, эффективность регистрации и вероятность того, что нейтрино данной энергии вообще провзаимодействует, — говорит Лу. — Это похоже на оценку количества рыбы в реке по нескольким особям, пойманным очень грубой сетью. Если знаешь размер сети, сколько времени она была в воде и насколько легко рыба сквозь нее ускользает, можно экстраполировать на всю реку».
Что касается нейтрино, которые изучает IceCube: хотя триллионы проходят через каждое из наших тел каждую секунду, почти ни одно из них не взаимодействует с нашими атомами. «За всю жизнь можно ожидать не более чем примерно одного взаимодействия в вашем теле, возможно, нескольких», — сказала Лу.
Эти редкие взаимодействия практически не влияют на нас. Учитывая, как мало энергии откладывается при таком взаимодействии, такие нейтрино «не представляют совершенно никакого риска для здоровья», подчеркнула Лу.
Напротив, ливни частиц, возникающие при попадании космических лучей, потенциально могут влиять на биологию человека. «На уровне земли среди проникающих заряженных частиц, достигающих нас от ливней космических лучей, доминируют мюоны, — отметила Лу. — На больших высотах, особенно во время авиаперелетов, другие вторичные частицы, прежде всего нейтроны, вносят заметный вклад в биологически значимую дозу».
Тем не менее любое воздействие этих ливней, как правило, невелико. «Для обычного человека космическое излучение дает примерно 0,4 миллизиверта в год — примерно столько же, сколько несколько рентгеновских снимков грудной клетки за год, при общем природном фоне около 2,4 миллизиверта от всех источников, — говорит Лу. — Доза зависит от высоты, широты и защиты. На обычном уровне земли мюоны и другие частицы космических лучей не считаются значимой угрозой для здоровья. Жизнь на Земле купается в них с самого начала».
Итак, каждую секунду через ваше тело проходят около 100 триллионов нейтрино и от десятков до сотен мюонов, а также, возможно, небольшое рассеяние нейтронов и других космических частиц или осколков от столкновений космических лучей с атмосферой.
Эти космические частицы могут приводить к самым разным открытиям. Например, ученые использовали мюонные детекторы для обнаружения скрытых проходов в пирамидах. А «высокоэнергетические нейтрино позволяют изучать одни из самых жестоких и в иных случаях скрытых сред во Вселенной, таких как области вокруг черных дыр, взрывающиеся звезды и другие мощные космические ускорители», отметила Лу.
«Поскольку нейтрино взаимодействуют так слабо, они могут покидать плотные области, куда свет, возможно, не способен проникнуть, — пояснила она. — Таким образом, они несут информацию прямо из тех мест, где рождаются одни из самых энергичных частиц природы».
В конечном счете, «частицы, проносящиеся сквозь нас, — постоянное напоминание о том, что мы не отделены от Вселенной, — сказала Лу. — Мы — часть космической истории, начавшейся 13,8 миллиарда лет назад».
Источники: комментарии Майкла Правицы и Лу Лу для Live Science, данные нейтринной обсерватории IceCube, материалы Чикагского университета о космических лучах.
