GZK极限

✍ dations ◷ 2025-09-20 13:10:10 #物理学中未解决的问题,物理学悖论,宇宙线

GZK极限,是以提出者Greisen、Zatsepin、Kuzmin三人姓氏之首字母为名的理论上限,描述源自远处的宇宙射线应有的理论上限值。

这项极限是在1966年由Kenneth Greisen、Vadim Kuzmin与Georgiy Zatsepin三人所计算,其基础为宇宙微波背景辐射与宇宙射线的预期相互作用。预测中指出宇宙射线所带的能量如果超过阈值5×1019 电子伏特则会与宇宙微波背景的光子发生相互作用,产生Π介子。这样的作用会持续发生,一直到射线粒子的能量低于Π介子产生阈值。因为此相互作用相关的平均自由程其值甚低,举例来说,起源处距离地球远大于50 百万秒差距的河外宇宙射线(英语:Extragalactic cosmic ray)若其能量大于此阈值者,则不可能在地球上观测到;而此距离内又不存在目前已知可以产生此般能量的宇宙射线源。

已有一些由明野广域空气簇射阵列(英语:Akeno Giant Air Shower Array)实验所作的观测显示远源的宇宙射线带有高于此极限的能量(称作超高能量宇宙射线(英语:Ultra-high-energy cosmic ray))。这样的观测事实被称作GZK佯谬(GZK paradox)或宇宙射线佯谬(cosmic ray paradox)。

这些观测似乎与目前所知的狭义相对论及粒子物理的预测相违背。不过,也有一些对于此类观测所作的可能解释,似乎可以解决这种不一致。首先,这些观测可能出自于仪器上的误差,或者是对于实验结果不正确的解读。再者,宇宙射线也可能有局域的粒子源(虽然尚不明白这些粒子源会是什么)。

另外的尝试是采用极高能量低相互作用性粒子(ultra-high energy weakly interacting particles)来解释(例如:中微子),其可以在很远处被创生出来,之后才在局域发生反应,生成所观测到的粒子。

目前已有一些奇异理论被提出,以来解释这些观测,其中最著名的是双重狭义相对论。

时至2003年,一些宇宙射线实验如费米伽马射线空间望远镜与皮埃尔·俄歇观测站(英语:Pierre Auger Observatory)计划要证实或否定稍早观测结果的可信度。

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