Главная Общество Наука

Экзотические частицы отыщут в космических лучах

Космические лучи, которые постоянно бомбардируют нашу планету - это своего рода "ускорители для бедных". Частицы сверхвысоких энергий, сталкивающиеся с атомами атмосферы, порождают так называемые широкие атмосферные ливни (ШАЛ) - целые каскады рождающихся и распадающихся элементарных частиц, которые в конце концов достигают самого дна воздушного океана и там могут быть зарегистрированы различными детекторами, что позволяет восстановить информацию о первородных "монстрах" (тот же, в сущности, принцип, что и в ускорителях, обвешанных датчиками, регистрирующими продукты распада сталкивающихся частиц). Таким образом невидимые тысячи частиц ежесекундно пронзают каждый квадратный метр отведенного нам пространства. Разумеется, космические лучи чрезвычайно высоких энергий - сравнительно редкие у нас гости, однако именно их взаимодействия с атмосферой открывают пусть и небольшую, но чрезвычайно важную "форточку" в физику ультравысоких энергий, то есть ту область, что еще очень и очень нескоро станет доступна даже самым продвинутым рукотворным ускорителям частиц.

Как правило, под космическими лучами подразумевают заряженные частицы (в основном, протоны, а также электроны, позитроны и ядра), хотя иногда к ним причисляют и фотоны высоких и сверхвысоких энергий. Взаимодействие с атмосферой высокоэнергетичного протона может в принципе привести к созданию какой-либо экзотичной массивной частицы, которой он передаст свою энергию (энергия обратится в массу в полном соответствии с формулой Эйнштейна). Эта частица окажется в составе общего ливня, составленного из тысяч других частиц. Однако если этот экзот проживет без дальнейших распадов достаточно долго, то он в принципе может быть зарегистрирован нейтринным телескопом (то есть провзаимодействовать с веществом сцинтиллятора в установке, предназначенной для ловли нейтрино) или каким-то подобным детектором. Три физика из Испании и Италии - Хосе Игнасио Ильяна (José Ignacio Illana), Мануэль Масип (Manuel Masip) и Давиде Мелони (Davide Meloni) - поставили перед собой цель оценить вероятность регистрации существующими и строящимися установками двух типов экзотических массивных частиц, которые пока еще не обнаружены "в натуре", а лишь предсказаны теоретически: глюино (gluino) - тяжелого суперсимметричного партнера глюона (возникающего в теории суперсимметрии - SUSY) - и "слабо взаимодействующих массивных частиц" (WIMPs - weakly interacting massive particle), которые ныне считаются основным кандидатом в темное вещество (то есть невидимую материю, заполняющую Вселенную наряду с обычным веществом - барионной материей).

Вывод, который был сделан в результате этой работы, нельзя назвать сенсационным, однако он дарит нам новые надежды: "WIMPs вряд ли можно будет обнаружить среди космических лучей, однако возможность изучить "новую физику" и глюино все-таки остается", - говорит физик-теоретик Хосе Игнасио Ильяна из Гранадского университета (Universidad de Granada), который вел эти исследования (публикация в журнале Physical Review D. 5 марта 2007 года).

Ильяна и его коллеги пришли к этому заключению, обратившись к статистическим данным по космическим лучам. Когда отдельная частица из состава галактических лучей сталкивается с ядром атмосферного атома (взаимодействует с каким-либо из его нуклонов), рождаются несколько вторичных частиц. В число этих вторичных частиц входят адроны - частицы, составленные из кварков (например протоны, нейтроны, пионы, и каоны). Если начальная энергия первичной частицы достаточно велика, то многие вторичные адроны оказываются достаточно высокоэнергетичными для того, чтобы в свою очередь в ходе взаимодействия с другими атмосферными ядрами произвести на свет экзотическую массивную частицу.

Сначала оценивался суммарный поток адронов - то есть космических лучей, содержащих как "первичные", так и вторичные адроны. Он определяется как общее число адронов, проходящих через квадратный километр атмосферы за один год на заданной высоте. Поток адронов с энергиями 10⁴ ГэВ (10 тысяч миллиардов электрон-вольт) составляет приблизительно триллион частиц на квадратный километр ежегодно (большая часть из них поглощается атмосферой). С другой стороны, адронов с энергиями порядка 10¹¹ ГэВ попадается меньше одного на квадратный километр в год. Эти высокоэнергетические космические лучи порождают взаимодействия, которые энергетически в 30 раз более эффективны, чем на самом большом в мире ускорителе частиц - Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC), который достраивают в ЦЕРНе (CERN) в Швейцарии.

Затем группа произвела оценку частоты столкновений между космическими лучами и ядрами атомов атмосферы, которые способны производить глюино (фактически, пары глюино, поскольку глюино не могут существовать в полностью автономном варианте). Пара глюино, согласно вычислениям испанских физиков, может порождаться самое большее однажды на квадратный километр в год, и то только в том случае, если его масса не существенно превосходит ныне существующий экспериментальный предел для глюино. И еще одно требование: реальный шанс на обнаружение глюино появляется только в том случае, если они окажутся достаточно долгоживущими, а иначе затеряются среди других частиц в общем каскаде.

Согласно оптимистичным прогнозам (если выполняются все эти требования), искомые экзотичные частицы могут быть обнаружены сразу в двух известных экспериментах. Для этого подходит, во-первых, "ледяной куб" IceCube Neutrino Detector - гигантский нейтринный телескоп, сооружаемый на Южном полюсе в Антарктиде и предназначенный для обнаружения высокоэнергетичных нейтрино. Он состоит из тысяч сферических оптических датчиков, замурованных в полярном льду, что покрывает область величиной в квадратный километр. Согласно теоретическим выкладкам, IceCube в состоянии зарегистрировать одну пару глюино в год.

Вторая возможность - искать такие события среди данных Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory, французский физик Пьер Оже считается первооткрывателем ШАЛ (1938), их иногда называют также ливнями Оже). Это еще один крупный и амбициозный объект, строительство которого близится к завершению. "Обсерватория" представляет собой сеть из 1600 огромных резервуаров, установленных на плоскогорье западной Аргентины (провинция Мендоса), заполненных водой (с атомами такого простейшего жидкого сцинтиллятора и будут взаимодействовать частицы) и снабженных фотоумножителями. Каждый такой бак отделен от соседних резервуаров на полтора километра. Резервуары обнаруживают частицы, отслеживая их взаимодействия с водой. Согласно оценкам Ильяны и его группы, в случае Обсерватории имени Пьера Оже следует ожидать гораздо большего количества нужных событий, чем у IceCube - около 20 глюино ежегодно.

К сожалению, когда исследователи повторили все свои вычисления для стабильных "вимпсов", то выяснилось, что зарегистрировать WIMPs даже с весьма умеренной массой будет чрезвычайно трудно. Ведь в отличие от глюино, участвующих в сильных взаимодействиях, вероятность обнаружения предсказанного количества нейтральных неуловимых WIMPs близка к нулю.

Источники:
Searching for Exotic Particles from Cosmic-Ray Collisions - PhysOrg.com
New physics from ultrahigh energy cosmic rays - arXiv.org - hep-ph

Ссылки:
Суперсила. Поиски единой теории природы - П.Девис
Крупнейшая в мире обсерватория начала регистрировать космические лучи

Справка

Космические лучи и излом в спектре первичного космического излучения

Космические лучи - это поток заряженных субатомных частиц и атомных ядер высоких энергий (в основном это протоны (90%) и альфа-частицы - ядра гелия (7%)), пронизывающий весь космос. Ударные волны, возникающие в процессах взрывов сверхновых, считаются основным источником этих частиц. В межзвездном магнитном поле с сильно запутанными силовыми линиями движение космических лучей имеет сложный характер, напоминающий диффузию молекул в газе. В результате время утечки космических лучей из Галактики оказывается в тысячи раз большим. чем при прямолинейном движении. Ученые, измеряющие энергию космических лучей, давно обратили внимание на избыток таких лучей в определенном энергетическом диапазоне (речь идет о характерном изломе или "колене" в спектре первичного (т.е. пришедшего непосредственно из космоса в отличие от вторичных КЛ, возникающих за счет столкновений с ядрами атомов земной атмосферы) космического излучения при энергии около 3x10¹⁵ эВ, обнаруженном в середине прошлого века советскими физиками). Некоторые исследователи предположили, что этот излишек мог бы давать единственный остаток сверхновой приблизительно в 1000 световых лет от нас, взрыв которой произошел около 100 тысяч лет назад (другое объяснение: частицы с более высокой энергией, число которых очень мало, слабо отклоняются галактическим магнитным полем и покидают Галактику сравнительно быстро - "Физика космоса", М., 1986).

Статья

Земному щиту свыше трех миллиардов лет

3,2 миллиарда лет назад, то есть на заре геологической истории, напряженность магнитного поля Земли была уже достаточно велика и составляла по крайней мере половину от своего нынешнего значения. Новые данные, полученные американскими геофизиками, противоречат предыдущим работам такого рода.

Статья

Супермонстр оказался суперускорителем

До последнего времени процессы производства гамма-лучей самых высоких энергий оставались тайной. Некоторые ученые предполагали, что такие фотоны могут рождаться лишь в результате распада частиц темной материи, однако большинство специалистов все-таки отказывалось в это верить.

Статья

Со щитом или под щитом

Участники будущих лунных экспедиций могут серьезно пострадать от рентгеновских вспышек на Солнце, которые случаются малопредсказуемым образом и грозят получением опасных радиационных доз в течение буквально считанных минут.

Статья

Луч суперсвета в темном царстве

Исследование модуляций излучения от мощного космического источника высокоэнергетических гамма-квантов позволило впервые за пределами земных лабораторий наблюдать процессы преобразования света в частицы вещества и антивещества.

Статья

Темной энергии - не меньше 9 миллиардов лет

Некая таинственная сущность, именуемая темной энергией, присутствовала в нашем мире в течение по крайней мере 2/3 его истории и способствовала ускоренному расширению всей Вселенной последние 5-6 миллиардов лет. Такой вывод сделала группа американских астрономов под руководством Адама Рисса.

Статья

Европейскому SMART-1 помогли бури на Солнце и советские "Луны"

В результате нового открытия ученые еще на шаг приблизились к ответу на давний вопрос о формировании нашего естественного спутника (то есть образовалась ли наша Селена из части Земли или как совершенно самостоятельное небесное тело).

Статья

От космических взрывов Землю хранят металлы

Согласно новому исследованию, гамма-всплески могут случаться в основном лишь в небольших бесформенных галактиках, которые испытывают серьезный недостаток в химических элементах тяжелее водорода и гелия.

Статья

В пасмурной погоде повинны космические лучи

Новое свидетельство того, что события в далеком космосе могут самым непосредственным образом отражаться на погоде и климате Земли, было получено британскими метеорологами. Отныне придется учитывать космическое излучение при моделировании климатических условий в прошлом и будущем.

Статья

Солнечные бури защищают астронавтов

Повышенная солнечная активность на самом деле только сыграла на руку нашим космическим посланцам: бури на Солнце привели к тому, что на борту МКС уровень радиации заметно снизился.

Статья

Десятисекундный армагеддон

Американские исследователи считают, что случаи массовой гибели живых существ на Земле можно объяснить, если использовать информацию о мощнейших звездных взрывах, получивших наименование гамма-всплесков. Удалось составить возможный сценарий подобного армагеддона.

Статья

В Антарктиде ищут антиматерию

Ученые в Антарктиде осуществили запуск высотного аэростата гигантских размеров. Цель научного эксперимента - постараться приблизиться к пониманию генезиса антивещества в космосе и найти возможные свидетельства существования так называемого хокинговского излучения от "испаряющихся" черных дыр (в рамках теории, предложенной профессором Кембриджского университета Стивеном Хокингом).

Статья

Мы живем во времена аномального Солнца

Солнце в настоящее время активно как никогда. Такого с ним не случалось на протяжении по крайней мере последних 1150 лет. Этот вывод был сделан на основе реконструкции числа солнечных пятен финскими и немецкими учеными. Солнце бушует. За прошлую неделю появление гигантских протуберанцев на нашей звезде привело к мощнейшим выбросам в космос заряженных частиц, послужило причиной небывалых магнитных бурь на Земле, выводящих из строя спутники, телекоммуникационные устройства и причиняющих вред здоровью людей.

Статья

Радиация слишком опасна для участников экспедиции на Марс

Новые данные, полученные с межпланетной космической лаборатории "Марс Одиссей", находящейся в настоящее время на марсианской орбите, подтверждают подозрения ученых по поводу радиации на Марсе: она столь интенсивна, что это неизбежно подвергнет опасности жизни астронавтов, посланных для исследования Красной планеты.

Статья

Кокон вокруг миллисекундного пульсара Черная Вдова

Изображение таинственного пульсара Черная Вдова, полученное "Чандрой", позволило разглядеть удлиненный "кокон" из высокоэнергетических частиц вокруг этого объекта. Таким образом, подтверждается теория, согласно которой даже относительно слабо намагниченные старые нейтронные звезды могут производить мощные электромагнитные поля и ускорять частицы до высоких энергий, если они вращаются достаточно быстро.

Статья

Тысячелетний остаток ярчайшей сверхновой

Это псевдоцветное изображение остатка сверхновой звезды SN 1006, вспыхнувшей на земном небе в 1006 году, составлено на основе данных, полученных космической обсерваторией NASA "Чандра", работающей в рентгеновском диапазоне.

Статья

Клешня Науки

Комбинированное изображение Крабовидной туманности составлено путем объединения множества снимков с космического телескопа "Хаббл". Туманность имеет волокнистую структуру и по внешнему виду напоминает клешню краба - отсюда и название.

Статья

Открытие "Чандры" позволяет разрешить "Парадокс Солнца"

Обзор близких солнцеподобных звезд позволил сделать вывод о том, что в Солнце и вообще в нашей локальной части Вселенной содержится почти в три раза больше неона, чем считалось ранее.

Статья

Землю просветят с помощью нейтрино

Регистрация геонейтрино дает возможность получить первую достоверную информацию о химическом составе земных глубин. Также открывается путь к нейтринному сканированию земных недр в разных сечениях, своего рода нейтринной томографии нашей планеты.

Статья

Суперускорительный южный танец

Астрономы обнаружили двойную звездную систему, состоящую из голубого гиганта и пульсара, которые в паре работают как мощнейший естественный ускоритель частиц, превращая обычные фотоны в фотоны сверхвысоких энергий.

Статья

Тайна ближайшего взрыва сверхновой

Прародитель сверхновой звезды SN 1987A весил в 20 раз больше нашего Солнца, таким образом он оказывался прямо на "разделительной линии", оставляя астрономов в неведении относительно того, какого именно типа компактный объект должен появиться в результате этого катаклизма.

Статья

Жизнь в Галактике сберегли звездные мятежники

Группа европейских астрономов выяснила, что многие звездные соседи нашего Солнца движутся по очень необычным маршрутам между спиральными рукавами Млечного пути. Согласно новому исследованию, наши звездные окрестности - это перекресток звездных дорог, где сливаются различные потоки звезд, прибывающих с разных направлений. Некоторые из этих звезд, содержащих свои планетные системы, могут на самом деле оказаться иммигрантами из бурного центрального региона нашей Галактики.

Статья

Смерть запрещенного барабанщика: впервые следы гамма-всплеска найдены в нашей Галактике

Комбинация данных, полученных от "Чандры", с наблюдениями в инфракрасном диапазоне, проведенными в обсерватории Паломар, позволила обнаружить остатки одного из самых катастрофических взрывов, случившихся в пределах нашего Млечного пути. Следы подобного явления в нашей Галактике удалось идентифицировать впервые, а сама вспышка произошла несколько тысяч лет назад.

Статья

Разрешена одна из загадок космических лучей

Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.

Статья

В центре Млечного пути найдено антивещество неизвестного происхождения

Это антивещество в принципе может образовываться за счет некоторых энергетически чрезвычайно эффективных атомных процессов, например, в ходе радиоактивного распада изотопа алюминия. Его "подпись" известна как аннигиляционная "линия 511 кэВ". Однако оказалось, что антивещества в центре Галактики слишком много для того, чтобы можно было объяснить его появление только распадом алюминия. Также ясно показано наличие множества источников антивещества - оно вовсе не концентрируется вблизи одной точки.

Статья

Новый кандидат в ускорители космических лучей

Удалось разглядеть загадочную обширную петлеобразную структуру поперечником 20 световых лет, которая расположена возле самой компактной области звездообразования в нашей Галактике.

Статья

Вселенная взрывается чаще, чем ожидалось

Космический телескоп Swift, запущенный NASA в ноябре 2004 года, "открыл" свои глаза и теперь успешно проводит наблюдения за самыми мощными взрывами во Вселенной. Менее чем за месяц ему уже удалось определить точные параметры 9 гамма-всплесков - это даже больше, чем ожидали сами астрономы.

Статья

Сверхновые - это взрывающиеся яйца

Взрывные волны от сверхновых имеют форму яйца, они вовсе не строго сферичны, как считалось ранее. Этот факт - то есть обнаружение такой небольшой асимметрии в процессах звездных взрывов - может сделать сверхновые еще более точным инструментом для измерений расстояний в космосе и для уточнения параметров таинственной антигравитации - темной энергии, заполняющей Вселенную.

Статья

Найдено направление "космического ливня", устроившего потоп в Солнечной системе

Едва ли не самая интригующая проблема, с которой в свое время столкнулись исследователи космических лучей, - это необходимость объяснения так называемого "колена" в спектре первичного космического излучения - избытка высокоэнергичных частиц. До сих пор однозначного объяснения этот феномен не получил, но последние исследования все увереннее связывают эту аномалию не с особенностью "работы" галактических магнитных полей или физикой межзвездного пространства, а с тем, что нас, землян, просто угораздило родиться в относительной близости от мощного "ускорителя" частиц определенной энергии, изрядно "попортившего" астрофизикам картину мира.

Статья

Датчик гравитационных волн уходит под землю

Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.

Статья

Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи

Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.

Статья

Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.

Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.

Статья

Бури на Солнце съели земной озон

Мощнейшие магнитные бури на Солнце послужили причиной истончения озонового слоя в арктических широтах. Эффект оказался подобен всем известному "эффекту домино" (когда одна упавшая костяшка вызывает падение всех остальных), и начался он в октябре-ноябре 2003 года, когда Солнце испустило рекордное количество заряженных частиц, устремившихся к Земле. Уровень солнечной радиации тогда превысил все мыслимые пределы.

Статья

Солнечные шипы оказались тайной звездной песней

Анализ видеороликов, на которых с высоким разрешением запечатлена солнечная поверхность, позволил раскрыть 127-летнюю тайну происхождения хромосферных спикул - струй вещества характерной "шипастой" остроугольной формы, постоянно извергаемых нашим светилом со скоростью 20-30 километров в секунду.

Статья

Впервые обнаружен "солнечный цикл" у отдаленной звезды

В течение многих лет астрономы задавались вопросом, присущи ли другим звездам, подобным Солнцу, периодические увеличения рентгеновской активности - те, что доставляют землянам, а также их технике (телефонным линиям и линиям электропередач) множество хлопот. Теперь удалось ответить на этот животрепещущий вопрос.

Статья

Рекордные вспышки позволили NASA разглядеть драконов на Солнце

Самой вероятной причиной мощных вспышек на Солнце, как показывают новые наблюдения, проведенные с помощью космического аппарата NASA под названием RHESSI, скорее всего являются крупномасштабные разрушения магнитных полей в атмосфере нашего светила - процесс, получивший наименование "магнитные пересоединения".

Статья

NASA ударилось в фантастику (12 проектов)

Институт передовых концепций NASA объявил о начале первой фазы отбора предложений по развитию исследований космоса. Выступая посредником между космическим агентством и людьми, готовыми предложить революционные концепции, которые могли бы кардинальным образом изменить подход NASA к космическим исследованиям, сотрудники института выбрали 12 проектов, претендующих на то, чтобы значительно расширить границы изученного космоса.

Статья

Марсианский корабль понесет защитный радиационный пояс вместе с собой

Разработчики NASA упорно трудятся над тем, чтобы найти защиту от всепроникающей космической радиации, которая угрожает здоровью и самой жизни астронавтов, отправляющихся в длительные экспедиции на Луну и Марс. При этом некоторые ученые рассматривают самые экзотические варианты, призванные надежно защитить экипаж.

Статья

Причины полярных сияний на Юпитере отличны от земных

Ученым удалось получить новые сведения об источниках питания юпитерианских полярных сияний - то есть самых захватывающих и обширных "аврорах" всей нашей Солнечной системы. Тщательный мониторинг за состоянием атмосферы гигантской планеты, проводимый специалистами NASA с помощью космической рентгеновской обсерватории "Чандра", позволил обнаружить присутствие заряженных частиц, врезающихся в атмосферу над полюсами газового гиганта.

Статья

Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе

90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.

Статья

На Солнце нашли антиматерию

Для изучения антивещества в земных условиях приходится ускорять частицы до рекордных скоростей и сталкивать их вместе, чтобы получить считанные атомы этого экзотического для нас вида материи. Причем существовать до аннигиляции эти чуждые нашему миру атомы могут лишь весьма непродолжительное время. А вот Солнце в смысле производства антивещества оказалось намного более эффективно. Кроме того, солнечное антивещество ведет себя иначе, чем можно было бы ожидать.

Статья

Загадка солнечных нейтрино решена

Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.

Статья

Землю поливают дожди из маленьких черных дыр

Высокоэнергетические космические лучи, вторгающиеся в атмосферу Земли, могут формировать микроскопические черные дыры, заявляют греческие и российские ученые. Ученые считают, что такие черные мини-дыры могли бы помочь объяснить загадочные результаты, полученные датчиками космического излучения в Боливийских Андах и на Памире - речь о так называемых "кентаврах".