Što je najbrža stvar na Zemlji?

Svemir nas neprekidno bombardira česticama koje jure prema Zemlji. No, koja od njih dostiže najveću brzinu? Bilo da je riječ o lansiranju svemirske letjelice, utrci automobila koji žurno obilaze stazu, ili gepardu koji se munjevito obrušava na svoj plijen, naš planet je poprište impresivnih brzinskih podviga. Ali, postavlja se pitanje – što je najbrže na Zemlji? Odgovor varira ovisno o tome kako definiramo pojmove “stvar” i “na Zemlji”. Glavni kandidati za ovu titulu – neutrini i fotoni – izmiču direktnom opažanju golim okom.

Najizravniji odgovor bio bi svjetlost. U vakuumu, svjetlost putuje brzinom od otprilike 300.000 kilometara u sekundi, brzinom koju, koliko nam je poznato, ništa u svemiru ne može nadmašiti.

Što je najbrža stvar na Zemlji?

Ipak, možemo li svjetlost smatrati kao “stvar”? Fizičari se po tom pitanju ne slažu jednoglasno. Neki smatraju da svjetlost nije stvar jer nema masu. Drugi, međutim, zagovaraju suprotno mišljenje – zbog specifičnosti kvantne mehanike, svjetlost je istodobno i val i čestica. Većina fizičara se slaže s definicijom čestica kao stvari. U svemirskom vakuumu, te čestice, poznate kao fotoni, su najbrže stvari, prema riječima Johna Matthewsa, fizičara sa Sveučilišta u Utahu.

Na Zemlji, stvar postaje složenija, osim ako se ne nalazite unutar vakumske komore. Kada foton dosegne Zemljinu atmosferu, njegova brzina se blago smanjuje. Tada, pod određenim okolnostima, može naići na konkurenciju. To je zato što atmosfera ne usporava sve čestice na isti način kao fotone, objasnio je Matthews za Live Science. Matthews je dio istraživačkog tima koji je detektirao nekoliko iznimno brzih čestica porijeklom iz ultra-visokoenergetskih kozmičkih zraka, kiša subatomskih čestica koje padaju na Zemlju iz svemira. Jedna od tih čestica, nazvana “Oh-My-God” čestica, identificirana je 1991. godine kao rezultat najenergičnije kozmičke zrake koja je do danas zabilježena.

Čestice poput ove kreću se brzinama bliskima brzini svjetlosti u vakuumu. Međutim, kada udare u Zemljinu atmosferu, “po svojoj prirodi nastavljaju neumoljivo napredovati,” istaknuo je Matthews. “Stoga premašuju brzinu svjetlosti u atmosferi.”

“Oh-My-God” čestice

To čini “Oh-My-God” čestice jednima od najbržih objekata s masom na Zemlji, no one ipak ne zauzimaju sam vrh. Umjesto toga, titulu najbržeg nosi neutrino, prema Justinu Vandenbrouckeu, fizičaru čestica na Sveučilištu u Wisconsin-Madisonu. “Oh-My-God” čestica vjerojatno je proton ili barem slična protonu – prilično masivna na ljestvici subatomskih čestica. Masa neutrina je najmanje 10 milijardi puta manja od mase protona, što znači da, slijedeći osnovne zakone fizike, neutrino može putovati još brže ako je opskrbljen istom količinom energije. Iako neutrini, teoretski, mogu doseći vrlo visoke brzine, u praksi ih je izuzetno teško detektirati. “Neutrini su poznati po svojoj sramežljivosti,” izjavio je Vandenbroucke za Live Science.

U dugoročnom eksperimentu na Južnom polu, koji nosi naziv IceCube, fizičari su postavili detektore unutar bloka leda veličine 1 kubičnog kilometra, u nadi da će otkriti visokoenergetske neutrine. U ledu, neutrino s dovoljno energije može putovati brže od svjetlosti. Kada takav visokoenergetski neutrino sudari s jezgrom atoma u ledu, može proizvesti nabijene subatomske čestice koje također putuju brže od svjetlosti. Ove brze čestice emitiraju bljesak svjetlosti poznat kao Čerenkovljevo zračenje, što čini neutrino neizravno detektiranim.

IceCube

U 2016. godini, znanstvenici projekta IceCube detektirali su neutrino najveće energije koji je do tada pažljivo evaluiran. “Koliko nam je poznato, to su najbrže čestice koje su ikada viđene,” rekao je Bill Louis, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos, za Live Science. Nijedna čestica s masom ne može dostići brzinu svjetlosti u vakuumu, ali ako je vrlo lagana i ima puno energije, može se približiti toj brzini.

Koliko blizu? Da bi lakše razumio brzine, Vandenbroucke voli razmišljati u terminima 9-ki. Nešto što se kreće brzinom 99,99% brzine svjetlosti imalo bi četiri 9-ke. Superbrzi neutrino detektiran 2016. godine imao bi 33 9-ke, rekao je Vandenbroucke. A “Oh-My-God” čestica imala bi između 20 i 24 9-ke, prema njegovim izračunima. Ova čestica imala je više energije, ali bila je i znatno masivnija. Za usporedbu, najveće brzine koje čestice postižu u ljudskim akceleratorima čestica, poput Velikog hadronskog sudarača u CERN-u, imale bi samo sedam 9-ki. U međuvremenu, ovi rekordno brzi superčestice “proizvode se prirodnim akceleratorima čestica u svemiru,” rekao je Vandenbroucke. “Ne znamo kako funkcionišu, ali to zaista pokazuje koliko je priroda nevjerojatna u usporedbi s ljudima.