Na saite Astrometriya Astronomicheskie instrumenty Astronomicheskoe obrazovanie Astrofizika Istoriya astronomii Kosmonavtika, issledovanie kosmosa Lyubitel'skaya astronomiya Planety i Solnechnaya sistema Solnce

Drama kosmicheskih luchei sverhvysokih energii
1.04.2002 10:43 | scientific.ru

Kosmicheskaya chastica vysokih energii, popadaya v atmosferu, rozhdaet "shirokii atmosfernyi liven'", dostigayushii poverhnosti Zemli v vide potoka myuonov i drugih vtorichnyh chastic. Takie sobytiya registriruyutsya massivami nazemnyh detektorov, pokryvayushimi ploshad' v kvadratnye kilometry, pri etom neploho ocenivaetsya energiya livnya i tip nachal'noi chasticy. V 1962 g. vpervye byl zaregistrirovan liven' s energiei vyshe 10¹¹ GeV, chto na 7 poryadkov prevyshaet energiyu, dostizhimuyu na uskoritelyah. Neskol'ko pozzhe, v 1966 g. poyavilis' dve nezavisimyh raboty: odna G.T.Zacepina i V.A.Kuz'mina(IYaI RAN), drugaya K.Greizena, gde pokazyvalos', chto protony s energiei vyshe 4 H 10¹⁰GeV na bol'shih rasstoyaniyah (sotni megaparsek) teryayut znachitel'nuyu chast' svoei energii, vzaimodeistvuya s fotonami reliktovogo izlucheniya (reakciya fotorozhdeniya pionov). Takim obrazom, sobytie 1962 g. okazalos' vyshe poroga Greizena-Zacepina-Kuz'mina (GZK). V edinichnom sluchae eshe ne voznikaet ser'eznoi problemy, poskol'ku chastica mogla byt' uskorena sravnitel'no nedaleko - v odnoi iz galaktik mestnogo sverhskopleniya i ne uspela poteryat' svoyu energiyu po doroge. Problema prorisovalas' v poslednee desyatiletie, kogda poyavilis' bolee krupnye massivy detektorov atmosfernyh livnei i byla nakoplena prilichnaya statistika kosmicheskih chastic svervysokih energii (UHECRs - Ultra High Energy Cosmic Rays).

Prezhde vsego vyyasnilos', chto UHECRs izotropny pri tom, chto prakticheski ne otklonyayutsya v galakticheskih i mezhgalakticheskih magnitnyh polyah, peresekaya Vselennuyu po pryamoi. Sledovatel'no, oni ne mogut proishodit' iz nashei ili blizhaishih galaktik - togda by eto otrazilos' na ih uglovom raspredelenii. Znachit oni rozhdayutsya daleko, i porog GZK dolzhen byt' viden v spektre UHECRs. No po nedavnim rezul'tatam samogo krupnogo massiva detektorov, Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) porog ne viden!

Rashozhdenie mezhdu teoreticheskimi predskazaniyami i eksperimental'nymi dannymi dlya kosmicheskih luchei sverhvysokih energii. sinyaya krivaya - raschet spektra chastic v predpolozhenii o ravnomernom raspredelenii ih istochnikov po ob'emu Vselennoi. Rezkii zaval krivoi bliz 1020 eV voznikaet iz-za effekta GZK. Kruzhki - dannye ustanovki AGASA.

Na risunke pokazan nablyudaemyi spektr chastic sverhvysokih energii i raschetnaya krivaya, poluchennaya v predpolozhenii ob odnorodnom raspredelenii istochnikov UHECRs vo Vselennoi. Rashozhdenie stol' ser'ezno, chto vyzvalo volnu rabot po privlecheniyu novoi fiziki dlya ego ob'yasneniya. Perechislim nekotorye iz gipotez.

1. Raspadayushiesya sverhmassivnye chasticy temnoi materii.

V teorii vpolne mogut sushestvovat' reliktovye dolgozhivushie chastici massoi bol'she 10¹¹ GeV, sostavlyayushie chast' temnoi materii i koncentriruyushiesya v galo galaktik. Esli oni raspadayutsya, togda my mogli by videt' produkty ih raspada kak UHECRs, pri etom effekt GZK ne skazyvalsya by na ih spektre po prichine blizosti rozhdeniya. Galakticheskoe galo mozhet byt' dostatochno veliko, chtoby my ne chuvstvovali anizotropii. Eta gipoteza privlekatel'na eshe i tem, chto mogla by ob'yasnit' perelom v spektre kosmicheskih luchei, v raione 10¹⁹ eV (10¹⁰ GeV), tak nazyvaemuyu "lodyzhku" (v spektre kosmicheskih luchei est' eshe i "koleno" - perelom drugogo znaka pri gorazdo bolee nizkih energiyah, tak chto terminologicheskaya parallel' spektra s nogoi provoditsya ves'ma posledovatel'no). V etom variante - to, chto do lodyzhki - obychnye kosmicheskie luchi, a to, chto posle - produkty raspada temnoi materii.

2. Sil'no vzaimodeistvuyushie neitrino

UHECRs yavlyayutsya ne protonami, a neitrino, kotorye ne vzaimodeistvuyut s reliktovym izlucheniem i ne chuvstvuyut poroga GZK. Odnako v standartnoi modeli neitrino vzaimodeistvuyut s veshestvom slishkom slabo, chtoby davat' atmosfernye livni. No sushestvuyut teorii, v kotoryh sechenie vzaimodeistviya neitrino s veshestvom dorastaet pri sverhvysokih energiyah do dostatochno bol'shih velichin. Vprochem, eti teorii dostatochno ekzotichny i, pohozhe, trebuyut nekotoryh natyazhek.

3. Novye tyazhelye chasticy

Porog GZK mozhno otodvinut', esli predpolozhit', chto UHECRs svyazany s chasticami tyazhelee protona. Ochevidnyi variant - yadra tyazhelyh elementov - stalkivaetsya s problemoi dissociacii yader pri vzaimodeistvii s tem zhe reliktovym izlucheniem. Poetomu trebuetsya novaya chastica, kotoruyu uslovno nazvali "uhecron". Odnako, massa uhecron-a uzhe dovol'no sil'no "zazhata" dannymi, i gipoteza vskore smozhet byt' libo podtverzhdena, libo, skoree vsego, oprovergnuta.

4. Narushenie Lorenc invariantnosti

Predpolagaetsya, chto pri ochen' bol'shih energiyah narushaetsya special'naya teoriya otnositel'nosti, i chastica sverhvysokoi energii letit chut' medlennee, chem polozheno. Harakternyi parametr narusheniya - otnoshenie energii chasticy k masse Planka (10¹⁹ GeV). Etogo dostatochno, chtoby "oboiti" porog GZK. Nekotorye, vprochem dovol'no shatkie, teoreticheskie osnovaniya dlya takogo kraine radikal'nogo predpolozheniya imeyutsya. Teoretiki vyskazyvayutsya po povodu etoi gipotezy dovol'no edinodushno, tipa: "Eto, konechno ochen' urodlivo i skoree vsego erunda, no s nakopleniem dannyh mozhet okazat'sya tak, chto ot etoi modeli prosto devat'sya budet nekuda..."

Nedavno poyavilas' rabota P.Tinyakova (Universitet Lozanny, IYaI RAN), i I.Tkacheva (CERN, IYaI RAN), gde zayavlyaetsya ob obnaruzhenii statisticheski dostovernoi korrelyacii mezhdu napravleniyami prihoda UHECRs i lacertidami, t.e. ob'ektami tipa BL Lacertae ("blasar") - kvazarami i aktivnymi yadrami galaktik, ispuskayushimi relyativistskie vybrosy, napravlennye pryamo na nas. Voobshe eta korrelyaciya byla by vpolne estestvennoi, esli by ne porog GZK - ved' lacertidy nahodyatsya na ogromnyh rasstoyaniyah. Odnako, pervonachal'naya rabota Tinyakova i Tkacheva greshit zavyshennoi ocenkoi statisticheskoi znachimosti effekta (okolo 10^-5). Pri vychislenii korrelyacii mezhdu dvumya vyborkami (kosmicheskih luchei i lacertid) mozhno "natyanut'" effekt, podbiraya porogi obrezaniya vyborok naibolee vygodnym obrazom i fakticheski podgonyaya odnu vyborku pod druguyu. Takim obrazom bylo obnaruzheno dovol'no mnogo "effektov" rassosavshihsya pri dal'neishem nakoplenii statistiki. Na dnyah P.Tinyakov v chastnom soobshenii zayavil, chto oni akkuratno uchli vliyanie podobnoi podgonki vyborok, ocenka statisticheskoi znachimosti snizilas', no vse-ravno ostalas' dostatochno ubeditel'noi, na urovne 10^-4 (t.e. veroyatnost' poluchit' takuyu korrelyaciyu sluchaino poryadka 10^-4). Na slovah vse vyglyadelo pravdopodobno, no uchityvaya bol'shoe kolichestvo ne podtverdivshihsya effektov s nevysokim urovnem statisticheskoi znachimosti, dlya okonchatel'nyh vyvodov sleduet dozhdat'sya uvelicheniya statistiki UHECR. Esli znachimost' korellyacii mezhdu UHECRs i lacertidami budet rasti, to eto budet argument libo v pol'zu narusheniya Lorenc-invariantnosti, libo v pol'zu sil'no vzaimodeistvuyushih neitrino.

V celom situaciya s kosmicheskimi luchami sverhvysokih energii yavlyaetsya odnoi iz samyh goryachih tochek v fizike. Nablyudaetsya zametnyi pritok issledovatelei v etu oblast'. V chem-to ee mozhno sravnit' s problemoi solnechnyh neitrino, yavlyayusheisya vyzovom s 60-h godov i vse ubeditel'nei privodyashei k novomu, hotya i davno predskazannomu fizicheskomu yavleniyu neitrinnyh oscillyacii.

B.Shtern

Publikacii s klyuchevymi slovami: kosmicheskie luchi - Reliktovoe izluchenie Publikacii so slovami: kosmicheskie luchi - Reliktovoe izluchenie

Sm. takzhe: Chastica s vysokoi energiei stalkivaetsya s Zemlei Dipol' reliktovogo izlucheniya: polet skvoz' Vselennuyu Kosmicheskie luchi iz Minnesoty Karta reliktovogo izlucheniya ot "Planka" Gaz v skoplenii galaktik sozdaet dyru v reliktovom izluchenii Zavihreniya reliktovogo mikrovolnovogo fona ukazyvayut na inflyaciyu Karta reliktovogo izlucheniya ot kosmicheskogo eksperimenta Plank Vse publikacii na tu zhe temu >>