Космическая частица, побившая рекорд скорости

в 22:36, , рубрики: космические лучи, космонавтика, Научно-популярное, физика

image

Ночью 15 октября 1991 года небо над штатом Юта прорезала частица, получившая название "Oh-My-God".

Это было космическое излучение, содержавшее в себе 320 эксаэлектронвольт (1018 ЭэВ) энергии – в миллион раз больше, чем могут достичь частицы в Большом Адронном Коллайдере. У частицы была такая скорость, что, соревнуйся она со светом, за год отстала бы от него на 1/1000 толщины волоса. Энергии в ней столько, как если бы вы уронили шар для боулинга на свой палец – только в шаре для боулинга столько атомов, сколько звёзд на небе. «Никто не ожидал, что можно впихнуть столько энергии в одну частицу»,- сказал Дэвид Киеда, астрофизик из Университета Юты.

Милях в пяти от места падения частицы, на верхушке пустынной горы в старом трейлере жили крысы и работал исследователь. Незадолго до события, на закате, Менгжи Луо по прозвищу «Стивен» включил компьютеры детектора «Глаз мухи» (Fly's Eye). Это массив из десятка сферических зеркал, расположенных на голой земле. Каждое зеркало было закреплено внутри «консервной банки», сделанной из канализационной трубы, и смотрело «вниз» в течение дня, чтобы его чувствительные датчики не страдали от солнечного излучения. С наступлением темноты, чистой и безлунной ночью, Лую повернул «банки» лицом к небу.

«Эксперимент был ещё сырой,- говорит Киеда, который работал с „Глазом мухи“ вместе с Луо и другими учёными. – Но главное, что он сработал».

image
Глаз мухи

«Глаз мухи» работал на военном полигоне в пустыне на западе Юты с 1981 по 1993 года. Он первым применил технологию «воздушной флюоресценции» для определения энергий и направлений высокоэнергетических космических лучей, которая использовала для этого свет, излучаемый молекулами азота при проходе лучей через атмосферу. В 1991 году «Глаз мухи» обнаружил космический луч, который по сей день считается самой высокоэнергетической из обнаруженных частиц.

Неярко светящийся след частицы «Oh-My-God» («Обожемой» – так её назвал в одной из ранних статей для веб основатель Autodesk Джон Уокер) был замечен среди данных «Глаза мухи» следующим летом. Сообщения о нём появились только через год, после того, как группа учёных смогла убедить себя в его реальности. Частица побила рекорд скорости, которому стукнуло уже несколько десятилетий. До этого его установила частица, которую обнаружили Кеннет Грейзен, Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин – 60 ЭэВ. Они считали, что любая частица большей энергии потеряет её при взаимодействиях с фоновым излучением вселенной. Этот принцип потери энергии, который назвали «потеря ГЗК», говорит о том, что частица «Обожемой» прилетела к нам с недалёкого объекта – возможно, из нашего галактического суперкластера. Но для её получения потребовался бы космический акселератор невообразимых масштабов. И в той стороне, откуда она прилетела, учёные не смогли найти ничего подходящего.

«Будто бы у вас во дворе есть невидимая горилла, которая кидается в вас шарами для боулинга»,- сказал Киеда.

Откуда же пришла частица «Обожемой»? Как она вообще появилась? И была ли она? Эти вопросы побудили учёных строить более сложные детекторы, которые с тех пор зафиксировали сотни тысяч космических лучей ультравысоких энергий более 1 ЭэВ, включая несколько сотен сверх-ГЗК событий с частицами, имевшими энергию более 60 ЭэВ (ни одна из них, правда, не дотянула до 320 ЭэВ).

Частицы, бившие рекорд ГЗК, могли позволить заглянуть в ту область физики, которая иначе была недоступна – может быть, даже соединить квантовую физику с эволюцией космоса. Или, по меньшей мере, обнаружить удивительные астрофизические объекты, которые до этого казались только точками на линзах телескопа. Но с течением времени исследования лишь приводили к большей путанице. «Тяжело объяснить полученные данные, связать их с какой-либо из существующих теорий,- говорит Пол Соммерс, астрофизик из Пенсильванского государственного университета, специализирующийся на космических лучах ультравысоких энергий. – С любой гипотезой возникают проблемы».

image
Логарифмический график флуктуаций космических лучей, как функций энергии. У линии есть два перегиба, которые были прозваны «коленкой» и «лодыжкой» спектра

Лишь недавно исследователи, обнаружив «горячую точку» на небе, поймав несколько высокоэнергетических частиц, учёные смогли пройти по пути понимания высокоэнергетических космических лучей.

Проблемы с лодыжкой

Ежесекундно каждый квадратный метр земли пронизывают тысячи космических лучей. И их никто не обнаружил до тех пор, пока австрийский физик Виктор Хесс не поднялся на воздушном шаре в 1910 году. Он узнал, что с высотой увеличивается количество ионизирующей радиации. Он провёл замеры во время солнечного затмения и установил, что большая часть излучения приходит к нам независимо от Солнца. За это он в 1936 год получил Нобелевскую премию.

Космические лучи проникают к нам на планету со всех сторон и имеют плавное распределение энергий. На уровне моря мы ощущаем низкоуровневую радиацию, которая является производной от взаимодействия лучей с нашей атмосферой. Большинство лучей – единичные протоны, большинство из остальных лучей – более тяжёлые ядра, и несколько из них – электроны. Лучи с большей энергией встречаются реже. Наиболее редкие из них, имеющие энергию более 1 ЭэВ, попадают в квадратный километр планеты лишь раз в сто лет.

Если вывести на график количество лучей, проходящих через детекторы, в соответствии с их энергией, мы получим линию с отрицательным уклоном и двумя перегибами – «коленкой» и «лодыжкой». Эти перегибы, по идее, показывают переход между лучами разной природы, или же лучами от более мощных источников энергии. Но какие это типы, и какие источники?

Как и многие эксперты, Карл-Хайенс Камперт, профессор астрофизики из Вупперталского университета в Германии и представитель обсерватории им. Пьера Оже, крупнейшего в мире детектора лучей ультравысоких энергий, считает, что космические лучи ускоряются явлениями, схожими с хлопками при переходе самолёта на сверхзвуковую скорость. «Шоковое ускорение» – это «фундаментальный процесс, встречающийся на разных масштабах во вселенной»,- говорит Камперт. От солнечных вспышек до взрывов звёзд, от быстро крутящихся пульсаров до излучений, исходящих из активных ядер галактик. Всё это – результат сверхзвукового движения плазмы, которое приводит к возникновению ударной волны, которая образует поверхностный слой из протонов и других частиц. Частицы прыгают внутри волны и отражаются от её краёв, пойманные между магнитным полем плазмы и вакуумом пустого пространства. И с каждым прыжком частица приобретает энергию. «Затем она вырывается наружу,– говорит Камперт,- и двигается через вселенную, чтобы быть пойманной датчиком».

Но попытки сопоставить разные взрывные волны со спектром получаемых энергии космических лучей ставят астрофизиков в сложное положение. Можно было бы ожидать, что «колено» и «лодыжка» отметят высшие точки, до которых можно накачать энергией протоны и ядра внутри взрывных волн. Подсчёты показывают, что протоны достигают предела в точке 0.001 ЭэВ – и действительно, это совпадает с графиком. Ядра потяжелее должны достигать энергий порядка 0.1 ЭэВ, и тут уступать место более мощным лучам, приходящим из источников вне галактики, которые не найти в нашем Млечном пути, и которые сами могут быть размером с галактику. Однако полученная в измерениях «лодыжка» находится в районе 5 ЭэВ, на порядок большей теоретического максимума для галактических космических лучей. Никто не знает, почему это так.

После лодыжки, около 60 ЭэВ линия начинает идти к нулю, рисуя что-то типа пальца ноги. Это, возможно, предел ГЗК, за которым космические лучи быстро теряют энергию при взаимодействии с фоновым излучением. Существование этого предела, которое Камперт называет «единственным чётким предсказанием», сделанным насчёт космических лучей, было подтверждено следующим за «Глазом мухи» детектором под названием «Глаз мухи высокого разрешения» (High Resolution Fly’s Eye, HiRes). С этой позиции энергетический спектр уменьшается до тонкой струйки сверх-ГЗК частиц, и заканчивается на отметке 320 ЭэВ одной точкой – «Обожемой».

Наличие предела ГЗК говорит о том, что законы физики работают ожидаемым образом. Частицы, преодолевшие этот предел, не опровергают их, а просто летели недалеко, и фоновое излучение не успело отнять их энергию. Но откуда они взялись и каким образом? 20 лет казалось, что частицы приходят отовсюду и ниоткуда. Но в конце концов была обнаружена «горячая точка» в северном полушарии.

Теплее

В Юте, в трёх часах езды от первого «Глаза мухи» расположился её новейший потомок – решётка детекторов в 762 кв.км. под названием Telescope Array (Массив телескопов). Эксперимент отслеживал прохождение миллиардов космических частиц с 2008 года. «Мы наблюдали за увеличением статистической важности горячей точки в течение нескольких лет»,- говорит Гордон Томсон, профессор физики и астрономии в Университете Юты и представитель TA.

image
Из 87 космических лучей, преодолевших планку в 57 ЭэВ, 27% пришли с 6% площади небесной сферы

Горячая точка транс-ГЗК лучей с центром в созвездии Большой Медведицы изначально не представляла интереса. Но за последний год она достигла статистической значимости в 4 сигмы, то есть вероятность того, что она реальна, составляет 99,994%. Томсон с командой должны достичь значения 5 сигм, чтобы официально объявить об открытии (они надеются, что это случится уже в июне).

«Это захватывающе»,- говорит Линден. Дополнительные данные помогут им уточнить местонахождение горячей точки (сейчас она размыта из-за отклонения космических лучей в галактике и в магнитном поле Земли). Невидимая горилла вскоре материализуется.

Тем временем, некоторые из интересующих их частиц скапливаются в датчиках IceCube – кубического километра льда, хранящегося под Южным полюсом. За 4 года IceCube отслеживал редкие следы нейтрино, которые почти не взаимодействуют с материей, но встречаются в изобилии по всей вселенной.

Иногда нейтрино взаимодействуют с атомами и излучают радиацию, проходя через IceCube. Их направление движения рисует новую космическую карту, которую можно сравить с картами высокоэнергетических лучей и света. В 2013 исследователи с IceCube объявили о наблюдении самой первой пары высокоэнергетических нейтрино с энергией в 0.001 EeV, которых они назвали «Берт» и «Эрни». Они могли прийти оттуда же, откуда поступают высокоэнергетические космические лучи. Нейтрино имеют преимущество перед другими лучами – у них нет заряда, поэтому они всегда летят по прямой.

image
IceCube Neutrino Observatory

Из 54 нейтрино, обладавших очень высокой энергией, которые были обнаружены за время работы IceCube, четыре прилетели из «горячей» области. Такой, как назвал его Линден, «намёк на корреляцию»: поскольку нейтрино путешествуют быстрее космических лучей, то их общий источник мог испускать наши энергичные частицы много лет. Учёные отбросили кратковременные источники вроде гамма-вспышек и рассматривают более долгоживущие процессы – например, галактика с нарождающимися звёздами и сверхмассивной чёрной дырой в центре. «В следующие несколько лет мы поймаем побольше нейтрино и проверим наличие корреляции»,- говорит Линден.

Наряду с космическим излучением и нейтрино учёные исследуют и гамма-излучение. Их изучением занимаются проекты HESS (High Energy Stereoscopic System) в Намибии и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в Аризоне, где работает тот самый Киеда, что раньше участвовал в проекте «Глаз мухи». Комбинация трёх явлений должны помочь обнаружить и уточнить образ самых мощных ускорителей частиц во вселенной.

Томсон готов поставить, что это будут цепочки из галактик и тёмной материи под названием "галактические нити" – самые большие структуры во Вселенной, имеющие в длину сотни миллионов световых лет. Он говорит, что у учёных есть несколько «интересных мест», для изучения которых нужно просто собрать больше данных.

Осушаем бассейн

Камперт из обсерватории им. Пьера Оже подходит к вопросу высокоэнергетических частиц с другой стороны. Он спрашивает: «Что они из себя представляют?»

image
Виктор Хесс обнаружил космическое излучение, поднимаясь на воздушном шаре

Некоторые астрофизики считают обсерваторию Оже «несчастливой». Она занимает 3000 кв.км. на полях Аргентины, собирает гораздо больше данных, чем Массив телескопов, но не может обнаружить какую-нибудь «горячую точку» в Южном полушарии. Она собрала доказательства небольшого количества транс-ГЗК лучей в стороне ядра галактики Альфы Центавра. Но, может быть, ей так и не удастся собрать достаточно данных, чтобы с уверенностью указать на «горячую точку». Возможно, что отсутствие данных – это сама по себе интересная загадка.

«У нас полно данных, и мы ничего такого не видим,- говорит Соммерс, который помогал разрабатывать и организовывать обсерваторию Оже. – Это просто удивительно. В 80-х годах я бы большие деньги поставил на то, что с такой статистикой мы получим чёткие горячие точки и шаблоны. Это удивляет».

Кроме того, график в области более тяжёлых ядер на конце спектра космических лучей может служить ключом к разгадке. Как сверхновые разгоняют протоны не дальше «коленки» спектра, а за этим пределом могут разгонять только более тяжёлые ядра – так, возможно, ведут себя и самые мощные ускорители во вселенной. Учёные, возможно, наблюдают реальный конец спектра космических лучей – точки, где протоны, а затем гелий, углерод и железо, достигают своего максимума.

Теоретики по сию пору пытаются представить, как кандидаты на ускорители разгоняют частицы до 200 ЭэВ, или, как частица «Обожемой», до 320 – даже, если это была частица железа.

Сам факт регистрации частицы ставится под сомнение. В начале 90-х Соммерс, временно работавший в Университете Юты, помогал с анализом сигнала в 320 ЭэВ. И хотя по тогдашним стандартам всё было измерено довольно неплохо, «Глаз мухи» в то время был «монокулярным» – вторая часть глаза только достраивалась. Ему не хватало точности и информативности, которые появились у его последователей. Соммерс утверждает, что хотя особенных причин сомневаться нет, но подозрение всё равно остаётся. Раз уж современные, более точные лаборатории не смогли поймать ничего с такой энергией.

С другой стороны, при подсчёте энергии частицы «Обожемой» можно ведь было ошибиться и в другую сторону. И в любом случае, этот факт мотивировал на дальнейшее изучение частиц, с энергиями, превосходящими предел ГЗК. Но, даже если подсчёт её энергии и был ошибочным, сейчас уже никто об этом не узнает.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля