Новости науки 28.03.02. Драма космических лучей сверхвысоких энергий

Космическая частица высоких энергий, попадая в атмосферу, рождает "широкий атмосферный ливень", достигающий поверхности Земли в виде потока мюонов и других вторичных частиц. Такие события регистрируются массивами наземных детекторов, покрывающими площадь в квадратные километры, при этом неплохо оценивается энергия ливня и тип начальной частицы. В 1962 г. впервые был зарегистрирован ливень с энергией выше 10¹¹ ГэВ, что на 7 порядков превышает энергию, достижимую на ускорителях. Несколько позже, в 1966 г. появились две независимых работы: одна Г.Т.Зацепина и В.А.Кузьмина(ИЯИ РАН), другая К.Грейзена, где показывалось, что протоны с энергией выше 4 Х 10¹⁰ГэВ на больших расстояниях (сотни мегапарсек) теряют значительную часть своей энергии, взаимодействуя с фотонами реликтового излучения (реакция фоторождения пионов). Таким образом, событие 1962 г. оказалось выше порога Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК). В единичном случае еще не возникает серьезной проблемы, поскольку частица могла быть ускорена сравнительно недалеко - в одной из галактик местного сверхскопления и не успела потерять свою энергию по дороге. Проблема прорисовалась в последнее десятилетие, когда появились более крупные массивы детекторов атмосферных ливней и была накоплена приличная статистика космических частиц свервысоких энергий (UHECRs - Ultra High Energy Cosmic Rays).

Прежде всего выяснилось, что UHECRs изотропны при том, что практически не отклоняются в галактических и межгалактических магнитных полях, пересекая Вселенную по прямой. Следовательно, они не могут происходить из нашей или ближайших галактик - тогда бы это отразилось на их угловом распределении. Значит они рождаются далеко, и порог ГЗК должен быть виден в спектре UHECRs. Но по недавним результатам самого крупного массива детекторов, Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) порог не виден!

Расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными для космических лучей сверхвысоких энергий. синяя кривая - расчет спектра частиц в предположении о равномерном распределении их источников по объему Вселенной. Резкий завал кривой близ 10²⁰ эВ возникает из-за эффекта ГЗК. Кружки - данные установки AGASA. На рисунке показан наблюдаемый спектр частиц сверхвысоких энергий и расчетная кривая, полученная в предположении об однородном распределении источников UHECRs во Вселенной. Расхождение столь серьезно, что вызвало волну работ по привлечению новой физики для его объяснения. Перечислим некоторые из гипотез.

1. Распадающиеся сверхмассивные частицы темной материи

В теории вполне могут существовать реликтовые долгоживущие частици массой больше 10¹¹ ГэВ, составляющие часть темной материи и концентрирующиеся в гало галактик. Если они распадаются, тогда мы могли бы видеть продукты их распада как UHECRs, при этом эффект ГЗК не сказывался бы на их спектре по причине близости рождения. Галактическое гало может быть достаточно велико, чтобы мы не чувствовали анизотропии. Эта гипотеза привлекательна еще и тем, что могла бы объяснить перелом в спектре космических лучей, в районе 10¹⁹ эВ (10¹⁰ ГэВ), так называемую "лодыжку" (в спектре космических лучей есть еще и "колено" - перелом другого знака при гораздо более низких энергиях, так что терминологическая параллель спектра с ногой проводится весьма последовательно). В этом варианте - то, что до лодыжки - обычные космические лучи, а то, что после - продукты распада темной материи.

2. Сильно взаимодействующие нейтрино

UHECRs являются не протонами, а нейтрино, которые не взаимодействуют с реликтовым излучением и не чувствуют порога ГЗК. Однако в стандартной модели нейтрино взаимодействуют с веществом слишком слабо, чтобы давать атмосферные ливни. Но существуют теории, в которых сечение взаимодействия нейтрино с веществом дорастает при сверхвысоких энергиях до достаточно больших величин. Впрочем, эти теории достаточно экзотичны и, похоже, требуют некоторых натяжек.

3. Новые тяжелые частицы

Порог ГЗК можно отодвинуть, если предположить, что UHECRs связаны с частицами тяжелее протона. Очевидный вариант - ядра тяжелых элементов - сталкивается с проблемой диссоциации ядер при взаимодействии с тем же реликтовым излучением. Поэтому требуется новая частица, которую условно назвали "uhecron". Однако, масса uhecron-а уже довольно сильно "зажата" данными, и гипотеза вскоре сможет быть либо подтверждена, либо, скорее всего, опровергнута.

4. Нарушение Лоренц инвариантности

Предполагается, что при очень больших энергиях нарушается специальная теория относительности, и частица свервысокой энергии летит чуть медленнее, чем положено. Характерный параметр нарушения - отношение энергии частицы к массе Планка (10¹⁹ ГэВ). Этого достаточно, чтобы "обойти" порог ГЗК. Некоторые, впрочем довольно шаткие, теоретические основания для такого крайне радикального предположения имеются. Теоретики высказываются по поводу этой гипотезы довольно единодушно, типа: "Это, конечно очень уродливо и скорее всего ерунда, но с накоплением данных может оказаться так, что от этой модели просто деваться будет некуда..."

Недавно появилась работа П.Тинякова (Университет Лозанны, ИЯИ РАН), и И.Ткачева (ЦЕРН, ИЯИ РАН), где заявляется об обнаружении статистически достоверной корреляции между направлениями прихода UHECRs и "лацертидами", т.е. объектами типа BL Lacertae ("blasar") - квазарами и активными ядрами галактик, испускающими релятивистские выбросы, направленные прямо на нас. Вообще эта корреляция была бы вполне естественной, если бы не порог ГЗК - ведь лацертиды находятся на огромных расстояниях. Однако, первоначальная работа Тинякова и Ткачева грешит завышенной оценкой статистической значимости эффекта (около 10^-5). При вычислении корреляции между двумя выборками (космических лучей и лацертид) можно "натянуть" эффект, подбирая пороги обрезания выборок наиболее выгодным образом и фактически подгоняя одну выборку под другую. Таким образом было обнаружено довольно много "эффектов" рассосавшихся при дальнейшем накоплении статистики. На днях П.Тиняков в частном сообщении заявил, что они аккуратно учли влияние подобной подгонки выборок, оценка статистической значимости снизилась, но все-равно осталась достаточно убедительной, на уровне 10^-4 (т.е. вероятность получить такую корреляцию случайно порядка 10^-4). На словах все выглядело правдоподобно, но учитывая большое количество не подтвердившихся эффектов с невысоким уровнем статистической значимости, для окончательных выводов следует дождаться увеличения статистики UHECR. Если значимость корелляции между UHECRs и лацертидами будет расти, то это будет аргумент либо в пользу нарушения Лоренц-инвариантности, либо в пользу сильно взаимодействующих нейтрино.

В целом ситуация с космическими лучами сверхвысоких энергий является одной из самых горячих точек в физике. Наблюдается заметный приток исследователей в эту область. В чем-то ее можно сравнить с проблемой солнечных нейтрино, являющейся вызовом с 60-х годов и все убедительней приводящей к новому, хотя и давно предсказанному физическому явлению нейтринных осцилляций.

перейти к началу страницы