Тайна, покрытая мраком, или загадки частицы «Oh-My-God!»

Ежесекундно наша планета пребывает во взаимодействии с космосом. Связь между планетой Земля и процессами, протекающими на уровне Вселенной, обеспечивается движением космических лучей, которые исходят при этом. Еще Армстронг и Олдрин, делясь впечатлениями после полета, отмечали, что постоянно, даже при закрытых глазах, наблюдали вспышки света –  а было это не что иное, как космические лучи, проходящие сквозь сетчатку глаза.

Космические лучи – это потоки элементарных частиц, в основном единичных протонов, и более тяжелых атомных ядер (например, железа, углерода, гелия)  высоких энергий. Открыты они были еще в начале ХХ ст австро-американским физиком Виктором Гессом, когда тот, поднимаясь на воздушном шаре, обнаружил, что уровень ионизации воздуха повышается с высотой и причиной тому должны быть частицы неземного происхождения. С того времени прошли десятки лет, ученые успели изучить космические потоки частиц высоких энергий со всех сторон, исследовать, по их мнению, все закономерности  «рождения» и движения этих «космических щупалец». Так, в частности, в 1966 году ученые Кеннет Грайзен, Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин, занимаясь вопросом вычисления максимальной энергии лучей, установили,  что она не может превышать 60 ЭэВ (в дальнейшем этот энергетический лимит космических лучей получил название «ГЗК предел»). Обусловливается это тем, что вся Вселенная в период протонной эпохи после Большого Взрыва насытилась реликтовым излучением (его также называют фоновой радиацией) вследствие первичной рекомбинации водорода, а вступая во взаимодействие с фотонами реликтового излучения, частицы космического луча, превышающие предел ГЗК, теряют энергию на образование пионов (один из видов субатомных частиц), и замедляются. Следовательно,  как отметили вышеупомянутые физики, частицы высоких энергий могут приходить к нам от источника не дальше 500 миллионов световых лет от Земли и наивысшей энергией таких частиц будет 60 ЭэВ.

Траектория движения частицы за пределом ГЗК (на образование каждого пиона уходит 20% энергии)

Однако, 15 октября 1991 года даже самые высококвалифицированные физики придут к выводу: таки не все загадки космоса под силу разгадать человеку. В этот день, а точнее будет сказать вечером этого дня, когда  солнце в штате Юта США уже зашло за горизонт, детектор с забавным названием «Глаз Мухи» (“Fly’s Eye” или, более научно, – HiRes - High Resolution Fly`s Eye Cosmic Detector) зафиксировал в небе ультрафиолетовую вспышку – это был след суперчастицы, которая в дальнейшем завладеет умами физиков мира. Скорость ее составила 99,9999999999999999999996% скорости света, а энергия – 320 ЭэВ! Это был случай глумления Вселенной над всем человечеством: предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина был сокрушительно прорван; рекорд скорости элементарных частиц, достигнутый в Большом Адронном Коллайдере - самой мощной и масштабной экспериментальной установке современности – побит в десятки миллионов раз; теория титана в области физики Альберта Эйнштейна о скорости света как о максиме, недостижимой для элементарной частицы, поставлена под сомнение. Увидев показатели на приборных панелях,  исследователи не задумываясь окрестили феномен частицей “Oh-My-God!”  (рус. «О боже мой!», «О мой Бог!»). Это была точка отсчета новой охоты для физиков мира – охоты на неуловимого энергетического монстра и источник, произведший его на свет.

Однако, говоря про «отлов» подобных частиц, следует упомянуть про существующие при этом проблемы: во-первых, суперчастицы с энергией свыше 1ЭэВ встречаются крайне редко – они прилетают  на Землю раз в столетие и бомбардируют территорию в пределах 1 км², а во-вторых, наземные детекторы регистрируют уже не непосредственно частицу космического луча, а вторичные частицы, порожденные взаимодействием первичной частицы с верхними слоями атмосферы. Вторичных же частиц (а это пионы, адроны, фотоны, мюоны, нейтроны, электроны и протоны) уже выходит миллионы вместо единственной первичной, и проливаются они на Землю уже не потоком, а каскадом, названным в астрономии широким атмосферным ливнем. Ширина такого ливня может достигать нескольких километров, а, следовательно, чтобы разгадать секреты первичных частиц ультравысоких энергий, закодированные во вторичных частицах, «охотникам» необходимо размещать свои «капканы» на гигантских территориях.

Схема ШАЛ (широкого атмосферного ливня)

Одним из таких «капканов», как   уже отмечалось, стал детектор  High Resolution Fly's Eye, которому по счастливой случайности удалось отследить легендарную частицу. Это был первый детектор, использовавший принцип воздушной флуоресценции: когда космический луч врезается в верхние слои атмосферы, частицы  вступают во взаимодействие с молекулами воздуха -  с ядрами атомов газов; при взаимодействии заряженной частицы с ядром атома азота, последний возбуждается и переходит на более высокий энергетический уровень; энергия возбуждения, выделяемая при этом, имеет вид слабого свечения – полосы ультрафиолетового света, которую и фиксирует детектор. Исследовав это излучение, детектор может установить энергию первичной частицы и приблизительную траекторию полета. Однако масштабы «Глаза Мухи»  были недостаточно велики, да и полученных данных для полного анализа природы и происхождения первичной частицы не хватало.  

Детектор "Fly`s Eye'

В другом конце света – в Японии, в 120 км западнее Токио (в г. Акено), раскинулась еще одна обсерватория для отлова космических лучей ультравысоких энергий - Akeno Giant Air Shower Array (АГАСА). Станции этого детектора  протянулись на территории в 100 км²  и работали по совершенно иному принципу – принципу сцинтилляции. Заключается он в том, что детектор фиксирует частицы уже не в воздухе, а в момент достижения ними поверхности земли. Из вторичных частиц до земли долетают лишь электроны и мюоны и, попадая в прозрачный сцинтиллятор (пластик, жидкость или кристалл), они вызывают в нем свечение – сцинтилляции, которые фиксируются фотоумножителями. Зарегистрировав время достижения вторичной субатомной частицей земли на разных станциях, можно исследовать, откуда пришла первичная частица.

Схема работы наземных (сцинтилляционных) детекторов

Но, как выяснилось, эти два детектора пришли к противоположным выводам касаемо существования ГЗК-предела. Если HiRes, согласно полученным данным, установил, что первичная частица прилетает к нам из недалеких источников, что не опровергает наличия ГЗК-предела, то AGASA наоборот зафиксировал, что месторождение подобных частиц ультравысоких энергий находится в отдаленных источниках, более 500 миллионов световых лет от Земли, что перечеркивает всю гипотезу Грайзена, Зацепина и Кузьмина. Как же узнать истину? Вероятно,  построив третий «капкан», работающий уже на совмещенных принципах.

Так, собственно говоря, и была сооружена обсерватория Оже (в честь французского ученого Пьера Оже, открывшего ШАЛ), в постройке которой приняли участие  500 ученых из 19 стран мира  (что наглядно демонстрирует уровень обеспокоенности и заинтересованности физиков в вопросе "расследования дела" частицы «Oh-My-God»). Этот детектор  занимает площадь в 3000 км² (!) и состоит как из флуоресцентных, так и наземных сцинтилляционных датчиков. Внешне это выглядит как более полутора тысячи емкостей с дистиллированной  водой – жидкие сцинтилляционные детекторы (черенковские счетчики), которые в момент взаимодействия мюонов с атомами воды, фиксируют черенковское излучение – и еще около 24 оптических (флуоресцентных) телескопов над ними, задачей которых является проверка Аргентинского неба  на ультрафиолетовое свечение. Учитывая и размеры, и количество детекторов, и их «разноплановость», обсерватория Оже стала основным прибором для вычисления и анализа данных про частицы ультравысоких энергий.

Детекторы Обсерватории им. Пьера Оже: сверху - флуоресцентный, снизу - наземный

Но прежде чем говорить о данных, полученных учеными обсерватории, следует прояснить ситуацию, которая на тот момент существовала в сфере физики космических лучей, и раскрыть основные вопросы, ставшие предметом дискуссии  исследователей частиц ультравысоких энергий. А споры все точились как тогда, на момент сооружения обсерватории Оже, так, забегая на перёд отметим,  и сейчас, спустя 9 лет, вокруг источника, отправной точки частиц, подобных “Oh-My-God”.

Ученые установили, что сверхскоростные космические частицы должны приобретать свою скорость за счет ударного ускорения, которое, в свою очередь, возникает вследствие движения плазмы. Когда скорость движения плазмы превышает скорость звука, частицы, попадающие в «ловушку» между магнитным полем плазмы с одной стороны и пустым вакуумом – с другой, начинают  двигаться взад-вперед поперек ударной волны, набирая ускорение. Возникает очевидный вопрос: какие же процессы в космосе связаны со сверхзвуковым движением плазмы? Ответ довольно прост: да практически все. Это и вспышки  на Солнце, и звездные взрывы – сверхновые, и вращения нейтронных звезд –  пульсаров, и столкновения галактик,  и излучения сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах активных галактик. Но из всего вышеперечисленного следует установить наимощнейший акселератор.

Большинство космических лучей вызваны взрывами на Солнце, однако этот источник не настолько мощный, чтобы придать ускорение такой частице, как «Oh-My-God». Пульсары – уже мощнее, однако их магнитное поле слишком слабо, чтобы удерживать разогнанную частицу; даже если речь вести о магнетарах – пульсарах с сильным магнитным полем – во время движения по кругу частица все равно будет тратить энергию на испускание электромагнитного излучения и, в конце концов, вылетит, потеряв необходимый энергетический запас.   

Таким образом, в кандидатах на роль космического ускорителя суперчастиц остаются сверхмассивные черные дыры, сталкивающиеся галактики и сверхновые. Говоря о черных дырах, следует отметить, что ускорение в таком случае происходит за счет джетов квазаров: черная дыра, находящаяся в центре квазара, в результате аккреции – поглощения окружающей материи – приобретает огромную массу и испускает сверхмощное излучение – джет, который и может служить источником ускорения частиц.

Возможные акселераторы частиц ультравысоких энергий: сверху вниз - сверхновая, столкновение галактик, джет квазара

Есть и еще один потенциальный способ образования суперчастицы - когда она первоначально появляется на свет с ультравысокой энергией. Как следует из самого известного эйнштейновского уравнения E=mc² , энергия прямо пропорциональна массе, а значит своим рождением сверхэнергетическая частица могла бы быть обязана распаду материи, имеющей огромную массу. Таковой является темная материя, заполняющая всю Вселенную. Однако ее существование пока что является лишь гипотезой (основывается она на том, что если совокупность всех небесных тел галактики меньше, чем масса самой галактики, то должна существовать материя, заполняющая галактику и придающая ей массу), поэтому утверждать о возможности такого образования частиц ультравысоких энергий мы не можем.

Но вернемся же к данным, полученным в обсерватории им. Пьера Оже, на которую уповали столько физиков. Эксперты обсерватории, поймав несколько частиц ультравысоких энергий (около 57 ЭэВ),  нанесли приблизительную траекторию их полета на карту Вселенной, и обнаружили, что некоторые из них могли бы прилетать к нам из соседней активной галактики – Центавр А,   которая расположена всего лишь в 12 миллионах световых лет от Солнца.

Сверху - галактика Центавр А, снизу - карта "горячих точек" в районе галактики Центавр А

Но и тут полученные данные были поставлены под сомнение: ученые Стэнфордского университета  отметили, что эта галактика на самом деле слишком слаба, чтобы провоцировать высокоэнергетичные гамма-лучи, а проблемой исследователей обсерватории является пространственная привязка.

Трудности в установлении точного источника первичной частицы связаны с межгалактическими магнитными полями, которые  искривляют прямолинейную траекторию единичных протонов, а более тяжелых атомных ядер – тем более (что обусловливается большим количеством в них протонов).

Но какими бы не были сложности в обнаружении частиц типа «Oh-My-God», насколько бы невозможным не казалось определение их источника, вошедшие в раж погони ученые отказываются останавливать охоту. Сейчас в планах у астрофизиков выйти за планетарные масштабы и использовать Луну как рефлекторный  телескоп для фиксации частиц ультравысоких энергий. Для этого на территории Австралии и Южной Африки до 2025 года планируется построить гигантский сверхчувствительный радиотелескоп Square Kilometre Array, станции которого займут площадь в 33000 км² ! Задачей детектора будет улавливание наносекундных радиоволн, вызванных столкновением сверхскоростных и высокоэнергетичных частиц с диэлектрической почвой Луны. Это увеличит шансы разгадки секретов неуловимых частиц в сотни раз, ведь в таком случае  они будут фиксироваться с гораздо большей частотой и регистрироваться до момента взаимодействия с атмосферой Земли.

Такая суета вокруг космических лучей является вполне обусловленной, ведь  исследование суперчастиц поможет нам не только узнать загадки Вселенной, но и открыть связь между ними и  физическими процессами, протекающими на Земле. Более того, еще не установлено, действительно ли нейтральными являются частицы типа «Oh-My-God» в плане влияния на организм человека – быть может, такие атмосферные ливни способны вносить изменения в наши цепи ДНК.

В любом случае, это очередной пример попытки человечества обуздать Вселенную. А каким будет исход этого противоборства нам, вероятнее всего, предстоит узнать в ближайшем будущем.

Стиль и орфография автора сохранены. Откройте свою колонку на Naked Science и поделитесь своими знаниями с миллионной аудиторией сайта.