Wat is een kosmische straal met ultrahoge energie?

Kosmische stralen zijn subatomaire deeltjes die met grote snelheid in alle richtingen door de ruimte vliegen. Ongeveer 90% daarvan zijn protonen, 9% zijn heliumkernen en 1% zijn elektronen. In tegenstelling tot hun naamgeving zijn kosmische stralen energetische deeltjes in plaats van stralen op zich. Op aarde kunnen we kosmische stralen detecteren wanneer ze botsen met de bovenste atmosfeer en een regen van geladen deeltjes vrijgeven. Door te observeren hoe intens de deeltjesdouche is, kunnen we de energie en richting van de kosmische straal afleiden.

Een ultrahoge energie kosmische straal (UHECR) is een soort kosmische straal met een abnormaal hoge energie. Er is geen officiële grenswaarde voor het definiëren van een kosmische straal met ultrahoge energie, maar de term verwijst in het algemeen naar kosmische stralen die de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) -limiet op kosmische stralingsenergie naderen of overschrijden. De GZK-limiet komt overeen met een drempelenergie van 6 x 10 ¹⁹ elektronvolt, ongeveer tien miljoen keer energieker dan de deeltjes in de krachtigste deeltjesversnellers. Boven deze limiet wordt gedacht dat kosmische stralen interageren met de kosmische microgolfachtergrond om exotische deeltjes te produceren die pions worden genoemd, waardoor hun energie wordt verlaagd tot de GZK-limiet.

Maar kosmische stralen zijn waargenomen die de GZK-limiet overschrijden. Dit is een mysterie van de natuurkunde en kan een hint zijn naar fysieke theorieën die die van Einstein opvolgen, volgens gerespecteerde natuurkundigen zoals Lee Smolin. Eén zo'n kosmische straal, waargenomen op Dugway Proving Grounds in Utah en bijgenaamd het Oh-My-God-deeltje, had een energie van ongeveer 3 x 10 ²⁰ elektronvolt. Dit is ongeveer gelijk aan dat van een goed gegooid honkbal - toch hebben we het hier over een deeltje dat kleiner is dan een typische atoomkern. Geschat wordt dat dit deeltje met ongeveer 1 - 5 x ^10-24 de snelheid van het licht reisde. Dit betekent dat als de kosmische straal met een foton (lichtdeeltje) zou racen, de kosmische straal na een heel jaar reizen slechts 46 nanometer achter het originele foton zou liggen.

Sinds de ontdekking van het Oh-My-God-deeltje in 1991 zijn minstens vijftien soortgelijke gebeurtenissen geregistreerd, waaruit blijkt dat kosmische straling met ultrahoge energie een echt fenomeen is. Omdat dergelijke deeltjes zo energiek zijn, is het onwaarschijnlijk dat ze worden beïnvloed door de magnetische velden van sterrenstelsels, dus ze zullen waarschijnlijk in een rechte lijn reizen vanaf hun punt van oorsprong. Maar er werd niets interessants gevonden in de richting van de lucht waaruit de kosmische straal is ontstaan. Waarom is dat? We weten het niet.