GZK極限

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GZK極限,是以提出者Greisen、Zatsepin、Kuzmin三人姓氏之首字母為名的理論上限,描述源自遠處的宇宙射線應有的理論上限值。

這項極限是在1966年由Kenneth Greisen、Vadim Kuzmin與Georgiy Zatsepin三人所計算,其基礎為宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation, CMB radiation)與宇宙射線的預期交互作用。預測中指出宇宙射線所帶的能量如果超過閾值5×1019 電子伏特 (eV)則會與宇宙微波背景的光子發生交互作用,產生Π介子(pion)。這樣的作用會持續發生,一直到射線粒子的能量低於Π介子產生閾值。因為此交互作用相關的平均自由徑(mean free path)其值甚低,舉例來說,起源處距離地球遠大於50 百萬秒差距 (Mpc)的星系外宇宙射線(extragalactic cosmic rays)若其能量大於此閾值者,則不可能在地球上觀測到;而此距離內又不存在目前已知可以產生此般能量的宇宙射線源。

已有一些由AGASA實驗所作的觀測顯示遠源的宇宙射線帶有高於此極限的能量(稱作超高能量宇宙射線)。這樣的觀測事實被稱作GZK悖論(GZK paradox)宇宙射線悖論(cosmic ray paradox)

這些觀測似乎與目前所知的狹義相對論(特殊相對論)及粒子物理的預測相違背。不過,也有一些對於此類觀測所作的可能解釋,似乎可以解決這種不一致。首先,這些觀測可能出自於儀器上的誤差,或者是對於實驗結果不正確的解讀。再者,宇宙射線也可能有局域的粒子源(雖然尚不明白這些粒子源會是什麼)。

另外的嚐試是採用極高能量低交互作用性粒子(ultra-high energy weakly interacting particles)來解釋(例如:微中子),其可以在很遠處被創生出來,之後才在局域發生反應,生成所觀測到的粒子。

目前已有一些奇異理論被提出,以來解釋這些觀測,其中最著名的是雙重特殊相對論(theory of doubly-special relativity)。

時至2003年,一些宇宙射線實驗如伽瑪射線大區域太空望眼鏡(Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST)與皮埃爾·俄歇觀測站(Pierre Auger Observatory)計畫要證實或否定稍早觀測結果的可信度。

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