Мощнее "частицы Бога": российские физики изучили загадочный космический луч
12:35 25.11.2023 (обновлено: 12:41 25.11.2023)
© AFP 2023 / HANDOUT
Подписаться
Международная коллаборация Telescope Array опубликовала результаты исследования космического луча чрезвычайно высокой энергии, пришедшего из пустынной области Вселенной.
СУХУМ, 25 ноя - Sputnik. Решающую роль в физической интерпретации уникального события сыграли ученые из Института ядерных исследований РАН. Подробнее в материале Владислава Стрекопытова для РИА Новости.
Космические лучи
Космические лучи — это потоки высокоэнергетических частиц и ядер атомов. Их источниками, по мнению ученых, могут быть гамма-всплески — крупнейшие взрывные явления во Вселенной, сверхмассивные черные дыры в центре галактик, а также нейтронные звезды, обладающие сильнейшими магнитными полями.
Частицы космических лучей входят в атмосферу Земли и, сталкиваясь с ядрами атомов азота и кислорода, генерируют большое количество вторичных частиц. Те, в свою очередь, становятся источником дальнейших каскадов распада. Подобные явления называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). Иногда в ходе ШАЛ первоначальная частица выдает миллиарды вторичных частиц, высыпающихся на земную поверхность на площади до десяти квадратных километров.
Для наблюдения за атмосферными ливнями сооружают специальные установки — массивы поверхностных детекторов, совмещенные с флуоресцентными телескопами. Обсерватория Telescope Array представляет собой решетку из 507 поверхностных детекторов (каждый площадью три квадратных метра), расставленных на расстоянии 1,2 километра друг от друга на участке 700 квадратных километров. Анализируя основные параметры — время прихода и величину сигнала, полученные каждым из приборов, — ученые рассчитывают направление прихода и энергию космических лучей.
Еще одна "частица Бога"
Обычно энергия частиц космических лучей лежит в диапазоне от десяти МэВ до десяти ГэВ (106-109 эВ), иногда выше. Крайне редко встречаются частицы со сверхвысокими энергиями — более одного эксаэлектронвольта (один ЭэВ = 1018 эВ). Это примерно в миллион раз больше, чем удалось достичь на самом мощном рукотворном ускорителе — Большом адронном коллайдере, где обнаружили так называемую частицу Бога, завершающую Стандартную модель физики, — бозон Хиггса.
Абсолютно уникальны наблюдения частиц с энергией выше 1020 эВ. Первую такую ультравысокоэнергетическую (3 х 1020 электронвольт) частицу зарегистрировали 15 октября 1991-го на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью предшественника Telescope Array — детектора космических лучей "Глаз мухи" (Fly's Eye Cosmic Ray Detector). Открытие настолько поразило ученых, что частице дали имя Oh-My-God ("О, мой боже!").
Физики пока не знают, с какими явлениями во Вселенной связаны частицы сверхвысоких энергий. Такие события интересны прежде всего тем, что из-за своей рекордной энергии они меньше отклоняются космическими магнитными полями и, по всей видимости, приходят к нам из-за пределов Галактики. А значит, могут служить принципиально новым каналом получения информации о внегалактических объектах. Существует мнение, что наблюдения за космическими лучами сверхвысоких энергий станут "астрономией нового поколения", а может быть, позволят в будущем раздвинуть границы Стандартной модели.
Новая космическая загадка
В мае 2021-го установка Telescope Array, сменившая в 2008-м "Глаз мухи", зарегистрировала еще одно экстраординарное событие — прилет частицы с энергией 2,44 х 1020 эВ. Поскольку она появилась на рассвете, обнаружившие ее японские ученые из Университета Осаки дали ей имя Аматэрасу в честь богини Солнца из синтоистского пантеона.
Несмотря на то, что наземные детекторы расположены на значительном расстоянии друг от друга, в общей сложности 23 прибора зарегистрировали сигнал с микросекундной разницей во времени. Такой результат указывает на то, что это был именно ШАЛ, порожденный одной частицей ультравысокой энергии.
В анализе данных участвовали ученые из США, Японии, Южной Кореи, Бельгии и России. Результаты опубликованы в журнале Science.
На первом этапе ученые из Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН обработали сигнал, полученный со всех станций наземной решетки детекторов Telescope Array, с помощью методов машинного обучения. Результаты показали, что эта частица — скорее всего, протон или ядро атома.
"С высокой степенью достоверности установлено, что частица не может быть гамма-квантом. Это не позволяет связать ее с каким-либо процессом за пределами Стандартной модели физики частиц", — говорит один из участников исследования, научный сотрудник лаборатории обработки больших данных ИЯИ РАН Иван Харук.
На втором этапе траекторию прилета частицы соотнесли с трехмерной картой Вселенной. Оказалось, что в направлении, откуда, по расчетам, прилетела частица, нет ни одного объекта, который может быть потенциальным источником мощного луча.
"Установлено, что частица пришла из пустой области в локальной Вселенной. Это указывает на ее очень сильное отклонение от источника и, следовательно, на то, что частица с высокой вероятностью является атомным ядром с большим зарядом, — рассказывает еще один автор статьи, научный сотрудник той же лаборатории Михаил Кузнецов. — Это, в свою очередь, говорит о том, что ее источник, хотя он и не идентифицирован явно, находится относительно близко к нашей Галактике".
Ранее большинство частиц со сверхвысокими энергиями, фиксируемых установкой Telescope Array, приходило в основном из одной и той же 20-градусной зоны в направлении созвездия Большой Медведицы. Теперь же направление совсем другое. Ученые рассчитывают, что дальнейшее исследование частицы Аматэрасу, в частности компьютерное моделирование ее распространения через Вселенную, позволит ограничить круг возможных источников всех космических лучей ультравысоких энергий.
Планы на будущее
Эксперимент Telescope Array продолжается. Планируют более детально исследовать источники сверхвысокоэнергичных частиц в рамках проекта по модернизации установки, получившего наименование TA х 4 — с увеличением площади в четыре раза.
Российские ученые надеются, что разработанные ими методы, основанные на машинном обучении, дадут возможность провести анализ с повышенной точностью и понять, что именно представляют из себя космические лучи ультравысоких энергий: протоны или более тяжелые ядра.
"Регистрация космических лучей предельно высоких энергий дает возможность вести поиск проявлений новых частиц и взаимодействий в ранее недоступных для исследования областях, — комментирует направление будущих исследований главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Троицкий. — Подобные модели, связанные прежде всего с нейтринным сектором и с сектором темной материи, могут решить ряд фундаментальных проблем современной физики".
По мнению ученых, концепция многоканальной астрономии позволит объединить данные с наблюдениями радиоволн, инфракрасных лучей, видимого света, ультрафиолета, рентгеновского и гамма-излучения, нейтрино и гравитационных волн. И тем самым расширить представления о космической среде в целом.
