FAQ: Космические лучи сверхвысоких энергий

Сохранить в закладки
11044
1
Сохранить в закладки

8 фактов о частицах, прилетающих к Земле из космоса, их энергиях и сложностях регистрации

Когда говорят о космических лучах сверхвысоких энергий, оказывается, что разные люди имеют в виду разные физические явления. Разница состоит в том, что называют сверхвысокими энергиями. Существует проблема не очень удачного перевода на русский язык английского термина «ultra-high-energy», который переводят как «космические лучи ультравысоких энергий». Я предпочитаю вариант «сверхвысокие энергии».

1. Диапазон энергий

Речь идет о вполне конкретном энергетическом диапазоне. Что такое сверхвысокие энергии? Для меня это энергии выше, чем 1019 эВ. Это энергии, которых на Земле в лабораторных экспериментах никто никогда не достигал. И думаю, что, скорее всего, никогда не достигнет.

В то же время известно, что такие энергии существуют во Вселенной. Частицы с такими энергиями зарегистрированы. Вообще космическими лучами называют вовсе даже не лучи, а высокоэнергичные заряженные частицы, которые прилетают из космоса и либо долетают до Земли, либо взаимодействуют в атмосфере, которая нас от них защищает. Таких частиц очень много.

2. Состав космических лучей

Энергии этих частиц покрывают диапазон в 10 порядков, может быть, больше, это вопрос договоренности. Но среди этих частиц есть малая часть самых высокоэнергичных, они прилетают очень редко и, вероятно, являются заряженными.

Заряженные частицы — это прежде всего протоны, а также ядра более тяжелых элементов. Но на самом деле, когда речь идет о такой энергии, мы не можем точно определить, что за частица к нам прилетела. Она летит с такой энергией, что по результатам ее взаимодействия не представляется возможным определить ее тип. Поэтому мы имеем в виду все, что угодно. Любая частица, которая прилетает и имеет такую колоссальную энергию, относится к космическим лучам сверхвысоких энергий. Это могут быть протоны, ядра, фотоны, нейтрино и другие.

3. История открытия

История изучения космических лучей началась примерно 100 лет назад, когда Виктор Гесс проводил свои известные эксперименты: он поднимался на аэростатах и обнаружил, что уровень радиации возрастает с удалением от Земли, хотя на тот момент люди думали, что должно быть наоборот. Он открыл эти заряженные частицы, которые проникают сверху в атмосферу Земли, но до поверхности их доходит меньше.

Дальнейшая история космических лучей очень богата. С их помощью физики открыли множество разных интересных частиц, которых на Земле тогда не знали. Сейчас их научились получать на ускорителях. Но начало истории сверхвысоких энергий можно отнести к 1960-м годам, когда произошло сразу два интересных события.

4. Предел Грейзена — Зацепина — Кузьмина

С одной стороны, было открыто реликтовое излучение, космическое микроволновое излучение, которое связано с самыми ранними этапами развития нашей Вселенной. Оно вроде бы ни при чем. Но в то же время была зарегистрирована космическая частица с энергией 1020 эВ — в 10 раз больше, чем-то пороговое значение энергий, которое мы обсуждаем. Одна единственная частица была зарегистрирована на Земле.

Это произошло примерно в одно и то же время. И теоретики обнаружили, что эти две вещи очень трудно между собой согласовать, потому что эти самые высокоэнергичные частицы на этом самом реликтовом излучении должны рассеиваться, их длина свободного пробега очень небольшая, они не должны прилетать к нам издалека. Если уж и прилетают, их должно быть очень мало. Это называется эффект Грейзена — Зацепина — Кузьмина, и здесь Зацепин и Кузьмин — российские физики, работавшие тогда в ФИАНе, а Грейзен одновременно с ними такую же работу опубликовал в Америке.

Из-за этого противоречия эти космические лучи самых высоких энергий отделились и с тех пор живут своей жизнью, хотя на самом деле они ничем не хуже и не лучше, чем с энергией в 10 раз меньше.

5. Решение проблемы ГЗК

В чем здесь проблема? Теоретически было предсказано, что таких частиц должно быть мало. При этом наблюдалась одна такая частица. Потом стали строить много разных экспериментов, которые регистрируют такие объекты, и частиц с энергией 1020 эВ стало регистрироваться все больше и больше. Из эффекта ГЗК это превратилось в проблему ГЗК. Было время, когда уже много экспериментов наблюдало много частиц, но теоретического объяснения не существовало.

А закончилась эта история очень поучительно. Дело в том, что в начале 2000-х годов были построены более современные, крупные эксперименты, которые сразу регистрируют большое число частиц. Было обнаружено, что такие частицы есть, но их гораздо меньше, чем частиц, которые несут энергию, например, 1019 эВ. То есть подавление или обрезание энергетического спектра космических лучей эффектом ГЗК — это уже состоявшийся факт, который сейчас экспериментально доказан.

6. Регистрация космических лучей

Само по себе наблюдение таких частиц очень интересно, так как если взять площадку на Земле размером в один квадратный километр, то такая частица прилетит туда один раз за сто лет. Для того чтобы зарегистрировать какое-то разумное количество частиц, нужно брать огромные площади установок — сейчас это сотни и тысячи квадратных километров. В этом случае какая-то небольшая статистика набирается. Но пока это очень малое число событий, поэтому очень много спекуляций про их происхождение.

Основная загадка здесь, конечно, состоит в том, откуда они берутся. Даже самый мощный ускоритель, который у нас сейчас есть, — Большой адронный коллайдер — близко не подбирается к этим энергиям.

7. Механизм ускорения

Какие же экзотические объекты во Вселенной представляют собой такие ультрабольшие адронные ускорители? На сегодняшний день однозначного ответа на этот вопрос нет. Это вопрос одновременно и к физике космических лучей, и к астрофизике, так как, чтобы разобраться в этом, можно попытаться смотреть, откуда они прилетают. Но это невозможно определить, они прилетают из совершенно произвольных направлений, не указывая на какие-либо источники. Это является загадкой.

С другой стороны, астрофизический анализ показывает, что ни один из известных астрофизических объектов гарантированно в качестве такого ускорителя работать не может. Эта загадка на сегодняшний день уже приелась. 40–50 лет люди пытаются ее разрешить, но мало продвинулись к решению этого вопроса.

8. Космические лучи и физика элементарных частиц

Что еще интересного могут нам дать эти частицы сверхвысоких энергий? Оказывается, что можно пытаться использовать их для целей не только астрофизики. Откуда они берутся и как устроены объекты, их ускоряющие, — это астрофизическая задача. А есть задачи, которые полностью связаны с физикой элементарных частиц, потому что, когда такая ускоренная частица сталкивается с каким-то веществом в атмосфере Земли, она взаимодействует с каким-то атомом, с ядром, и энергия в системе отсчета центра масс примерно раз в 30 превышает энергию столкновений протонов в Большом адронном коллайдере. Поэтому если мы сможем изучить эти столкновения, то у нас получится продвинуться в понимании взаимодействия частиц очень далеко, куда мы, во всяком случае, в обозримом будущем в земных экспериментах не сможем зайти.

Однако здесь проблема состоит в том, что в Большом адронном коллайдере миллионы столкновений, а здесь, как уже упоминалось, единицы. Надо сказать, что люди научились из этих единиц, десятков и сотен столкновений какую-то информацию о физике получать. И на сегодняшний день ответ очень печальный, но, с другой стороны, интересный: ни одна из существующих моделей, которые теоретически, математически, численно описывают столкновения космических частиц таких энергий в атмосфере, не согласуется с экспериментальными данными. Это значит, что у нас есть шанс найти какие-то новые явления, весьма интересные и радикальные изменения во взаимодействиях частиц, которые происходят при таких энергиях.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration