» » «Глаз мухи» и космические лучи

«Глаз мухи» и космические лучи


«Глаз мухи» и космические лучи

Когда энергичная частица космических лучей проходит через атмосферу, она взаимодействует с воздухом и рождает ливень вторичных частиц (подробности — в статье А. Левина «Космические дожди»). Те, в свою очередь, возбуждают атомы воздуха, которые испускают слабое флуоресцентное свечение. Эксперимент Fly’s Eye («Глаз мухи»), детекторы которого показаны на фотографии, регистрирует это свечение от атомов азота в ультрафиолетовом диапазоне. Каждый из похожих на ржавые бочки детекторов Fly’s Eye «видит» только небольшой участок неба, но вместе они покрывают весь небосвод. Отсюда и аналогия c фасеточным глазом мухи — каждая фасетка видит немного, но вместе они дают мухе широкий угол обзора.

Этот эксперимент был запущен в конце 1970-х, и работал, пройдя несколько модернизаций, до 1993 года. В 1991 году им была обнаружена частица с рекордной энергией 350 ЭэВ. Это 3,5x1020 эВ — на 8 порядков больше энергий, до которых разгоняются частицы в Большом адронном коллайдере. Еще один ориентир — такую кинетическую энергию имеет бейсбольный мяч весом 142 грамма, летящий со скоростью под 100 км/ч. Она так поразила физиков, что ее назвали частицей „Oh-My-God“ («О боже мой»). Что именно это была за частица, узнать, к сожалению, невозможно. Ясно только, что это должен был быть либо протон, либо ядро какого-то элемента.

Что же самое удивительное в этой частице? Вовсе не то, что природа оказалась мощнее творения человека — это как раз вполне ожидаемо. Проблема в том, что такой частицы не должно быть! Когда космическая частица — например, протон — проходит через межзвездную среду, она может взаимодействовать с фотонами реликтового излучения, которых там порядка 500 штук на каждый кубический сантиметр. Сталкиваясь с фотоном, высокоэнергичный протон переходит в возбужденное состояние — резонанс ?+, который затем распадается. Финальным продуктом распада будет протон с энергией, меньшей энергии начального протона. Таким образом существует предел энергий космических протонов — около 50 ЭэВ, что на порядок меньше энергии частицы „Oh-my-god“. Существование этого предела было теоретически предсказано в 1966 году советскими учеными Георгием Зацепиным и Вадимом Кузьминым, и, независимо, — американским физиком Кеннетом Грайзеном (Kenneth Greisen).

Но есть тонкость: частицы, преодолевающие предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина (ГЗК), все-таки могут существовать и наблюдаться на Земле, если предположить, что их источник находится от нас на расстоянии меньше 50 Мпк, — такова средняя длина свободного пролета протонов без столкновений с фотонами реликтового излучения. Надо отметить, что это очень большое расстояние. Так, например, размеры нашего Млечного Пути в 1000–1500 раз меньше. А размер сверхскопления Девы, частью которого является и наша Галактика, составляет около 33 Мпк. В этом гигантском объеме могут существовать источники космических частиц сверхвысоких энергий, хотя они пока не обнаружены. Необходимо отметить, что появление таких частиц из нашей собственной Галактики исключено результатами, недавно опубликованными коллаборацией обсерватории им. Пьера Оже (см. Обнаружена неоднородность в направлениях прилета космических лучей ультравысоких энергий, «Элементы», 21.09.2017).

Частица „Oh-my-god“ была первой в своем роде, но, слава богу, не последней. Эксперимент High Resolution Fly’s Eye Cosmic Ray Detector (или просто HiRes), продолживший проект Fly’s Eye, а также уже упомянутая обсерватория им. Пьера Оже в 2007 году установили, что поток космических лучей сверхвысоких энергий затухает на энергиях порядка 1019,5 эВ.


«Глаз мухи» и космические лучи

Зависимость потока космических лучей ультравысоких энергий от энергии по данным разных современных экспериментов. Поток падает со степенной зависимостью от энергии — примерно как E–3, поэтому на графике показаны измерения, умноженные на энергию в кубе. График при этом получается почти прямым — так гораздо удобнее видеть все особенности спектра. Наиболее интересными здесь являются данные обсерватории им Пьера Оже (PAO — закрашенные квадратики), Telescope Array (TA — пустые пятиугольники) и HiRes (пустые и закрашенные треугольники). Хотя они и показывают некоторое разногласие по величине полного потока, но однозначно указывают на падение спектра на больших энергиях — начиная с 1019,5 эВ. График из статьи A. Sabourov et al., 2017. Energy spectrum of ultra-high energy cosmic rays according to surface detectors of Yakutsk EAS array


Является ли наблюдаемый предел энергий космических лучей тем самым пределом, предсказанным Грайзеном, Зацепиным и Кузьминым? Казалось бы, все говорит в пользу этой версии, но в механизме предела ГЗК в числе финальных продуктов распада резонанса ?+ могут иметься также нейтральные пи-мезоны, которые, в свою очередь, распадаются на два фотона. Эти ГЗК-фотоны имеют энергию порядка 10% от энергии начального протона, то есть десятки ЭэВ. Поток таких фотонов должен составлять, согласно различным моделям, от 0,01% до 0,1% от полного потока космических лучей на этих энергиях (то есть, вообще говоря, очень немного, считанные события за декаду работы большого эксперимента). До сих пор ни одного такого фотона не было обнаружено. Такое наблюдение было бы независимым подтверждением ГЗК-сценария.

Другой способ объяснить наблюдаемый предел в спектре космических лучей — максимальная жесткость (maximum rigidity). Заключается он в предположении, что существующие источники космических частиц не способны разогнать частицы до энергий больше некоторого предела. Путать с теорией ГЗК не стоит: она объясняет наблюдаемый предел энергий как эффект распространения частиц от источника до нас, а сценарий максимальной жесткости — как предел мощности источника. Если верна теория ГЗК, то предел энергий примерно одинаков для всех космических частиц, вне зависимости от их состава — будь то протоны или ядра. В случае же сценария максимальной жесткости это не так: астрофизическим источникам легче ускорять ядра, так как они обладают большим зарядом. Поэтому состав высокоэнергичных космических лучей будет разным в этих двух разных сценариях.


«Глаз мухи» и космические лучи

«Глаз мухи» и космические лучи

Состав космических лучей сверхвысоких энергий в сценарии ГЗК (слева) и сценарии максимальной жесткости (справа) — модели потоков различных компонентов космических лучей показаны сплошными линиями разными цветами (например, He — это ядра гелия, а pпротоны). Сплошной черной линией показана сумма цветных линий. Точки — экспериментально измеренный поток, согласно данным обсерватории им. Пьера Оже. Графики из статьи A. Aab et al., 2017. Combined fit of spectrum and composition data as measured by the Pierre Auger Observatory


Чтобы измерить состав космических лучей, нужно смотреть на профиль ливня вторичных частиц, распространяющегося в атмосфере. Это делается с помощью телескопов флуоресцентного излучения, как это делалось в эксперименте Fly’s Eye. Проблема в том, что такие телескопы работают только в безлунные ночи и при ясном небе. Из-за этого и без того низкая статистика космических лучей ультравысоких энергий становится совсем незначительной. Между тем, чтобы делать выводы о составе космических лучей необходимо измерение многих ливней: по средней глубине атмосферных ливней можно определить средний заряд космических лучей. Да, мы не можем сказать ничего конкретного о каждом отдельном космическом луче (то есть ответить на вопрос: ядром какого элемента он являлся?) — для этого погрешности измерений слишком велики. Лучшее, на что можно надеяться, — измерение средних величин. Так, для сценария максимальной жесткости нужно ожидать, что у лучей с энергией выше 1019,5 эВ (30 ЭэВ) в составе будут только ядра железа. А в сценарии ГЗК будет наблюдаться некоторая смесь ядер различных элементов. Проблема в том, что имеющаяся статистика с флуоресцентных детекторов позволяет делать выводы о составе космических лучей как раз до энергий около 1019,5 эВ, а этого недостаточно, чтобы сделать предпочтение в сторону какого-нибудь одного из сценариев.


«Глаз мухи» и космические лучи

Моделирование атмосферного ливня от частицы с энергией 1 ТэВ (1012 эВ). Разными цветами показаны различные компоненты ливня. Рисунок из S. Sajjad, 2009. The development of simulation and atmospheric shower reconstruction tools for the study of future Cherenkov Imaging telescopes


Выходом из ситуации является использование поверхностных детекторов, как это делается в обсерваториях им. Пьера Оже и Telescope Array. Описание детекторов обсерватории им. Пьера Оже можно найти в упоминавшейся новости Обнаружена неоднородность в направлениях прилета космических лучей ультравысоких энергий. Если коротко, то используется массив детекторов, которые выглядят как большие бочки, наполненные водой. Когда частицы ливня проходят через такую бочку, они рождают черенковское излучение, которое регистрируется фотоумножителями. В Telescope Array тоже используются поверхностные детекторы, только попроще, а занимаемая ими площадь меньше. Поверхностные детекторы регистрируют частицы ливня на поверхности Земли. Измеряя «отпечаток» ливня, а также время прибытия частиц, можно с высокой точностью определить энергию первоначальной частицы и направление ее прилета. Поверхностные детекторы могут работать и ночью, и днем, и не зависят от погодных условий, так что статистика наблюдений получается гораздо больше.

Если научиться определять, какие именно частицы вызвали сигнал в поверхностном детекторе, то можно получить дополнительную информацию о первичной частице. Важно распределение мюонной (u+ и u–) и электромагнитной (?, e+, e–) компонент ливня. Моделирование показывает, что отношение числа мюонов к числу электронов должно быть больше для ливней, происходящих от тяжелых ядер, чем для ливней от протонов. Чтобы научиться отличать мюоны от электронов и фотонов, в обсерватории им. Пьера Оже планируется установить на каждый поверхностный детектор-бочку дополнительный сцинтилляторный детектор.


«Глаз мухи» и космические лучи

Один из детекторов обсерватории Пьера Оже с установленным на нем сцинтилляторным детектором (планка сверху). Фото — © Михаил Столповский


Сигнал в таких детекторах различается в зависимости от того, какая частица через него прошла — мюон или электрон. Так можно получать дополнительную информацию о ливне, чувствительную к составу первичной частицы. Есть надежда, что в будущем это позволит наконец понять, каким физическим механизмом ограничен поток космических лучей.

Между тем продолжаются поиски источников космических лучей сверхвысоких энергий. Напомним, что с недавнего времени ученые уверены, что эти космические лучи имеют внегалактическую природу, то есть рождаются не в Млечном Пути. Тем не менее, пока нет никаких четких указаний на конкретные источники этих частиц. Какой бы сценарий ни оказался соответствующим действительности, мы несомненно получим ценную информацию о физике внегалактических источниках космических лучей, и приблизимся к пониманию природы процессов их экстремального ускорения.

Фото с сайта physics.adelaide.edu.au.

Михаил Столповский

20 июль 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии?

Почему мы существуем? Это, пожалуй, самый глубокий вопрос, который может показаться совершенно выходящим за рамки физики элементарных частиц. 

Космический предел скорости

Скорость света обозначается физиками как «с», и равна 299 792 458 м/с. Большей скорости энергия во Вселенной достигнуть не может. Также, как любой объект, обладающий массой, никогда не сможет

Явления, которые ставят науку в тупик

1. Эффект плацебо Интересно, что солевой раствор обезболит не хуже морфия, если ввести его после длительного приёма этого наркотика пациенту, не сообщая ему о подмене. Но стоит к солевому раствору
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Дешевый хостинг: преимущества и недостаткиЗемляне наблюдали частичное лунное затмениеНейрохимическая гипотеза происхождения человекаУдаление папилломТемная материя пока никого не убила – и это дает нам информацию о ее природеИнтимная пластикаПреимущества покупки в интернет магазинеНеобходимость косметологического оборудования для салонов красоты