Найдена меняющая представления о Вселенной частица

Космическую частицу — гамма-квант с рекордной энергией 300 тераэлектронвольт (300 ТэВ) зафиксировала группа исследователей из Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) совместно с учеными из МГУ имени М.В. Ломоносова. Ее связали с ярчайшим гамма-всплеском за всю историю наблюдений – GRB221009A, который произошел в результате взрыва сверхновой на расстоянии более двух миллиардов световых лет от Земли.

Как сообщили в Минобрнауки России, событие было зарегистрировано на российской установке «Ковер-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Статья о нем опубликована в журнале Physics Review D.

Следует сказать, что ежедневно на Землю летит очень много космических частиц: нейтрино, протоны, электроны, фотоны... Гамма-кванты как раз и являются фотонами очень высоких энергии.

Тем не менее еще раньше российских ученых специалисты китайской обсерваторией LHAASO зарегистрировали высокоэнергетическое гамма-излучение, исходящее от внегалактического источника GRB221009A с энергией в 18 ТэВ. Они сделали это в первые 2000 секунд от начала всплеска. Однако спустя еще 2536 секунд на установке «Ковер-3» в Кабардино-Балкарии российские ученые «поймали» гамма-квант от того же всплеска мощностью 300 ТэВ! По словам наших ученых, это большая удача, которую никто не ожидал.

– Насколько точны данные?– интересуюсь я у аспиранта ИЯИ РАН Никиты Позднухова, принимавшего участие в детектировании.

- Направление прихода события точно совпадает с направлением гамма-всплеска, можно сказать, что мы уверены в полученном результате на 99 процентов.

Вид на Баксанскую нейтринную обсерваторию. Никита Позднухов, ИЯИ

- Почему вы не ожидали фотона с такой энергией?

- Дело в том, что на Землю прилетают разные частицы, порой превышающие этот показатель, но здесь речь идет именно о гамма-кванте (единицы коротковолнового электромагнитного излучения). К тому же он прилетел из той области Вселенной, из которой его никто не ждал. Дело в том, что высокоэнергетические частицы, летящие к нам с больших расстояний, от далеких галактик, должны терять энергию при взаимодействии с фоновым микроволновым излучением. Поэтому такой гамма-квант должен был «растерять» большую часть своей энергии по пути. Этот эффект был описан в 1966 году советскими учеными Георгием Зацепиным и Вадимом Кузьминым, и независимо американцем Кеннетом Грайзеном. Получается, что наша частица прилетела либо с более близкого расстояния, либо существует какой-то неизвестный механизм, который позволяет обойти этот предел.

– Так может, все-таки прилет был с более близкого расстояния?

– Разумеется, такая возможность остаётся, однако наблюдения LHAASO тоже сложно объяснить стандартным образом. А ведь они тоже пришли с того же направления и в то же время, в которое и случился гамма-всплеск! Да и других кандидатов в источники не наблюдается. Поэтому и возникла мысль о пересмотре современных представлений о распространении излучения по Вселенной.

– На Земле подобные гамма-кванты рождаются?

– На Земле гамма-излучение возникает от радиоактивных материалов или рождается в ядерных реакторах, но уровень мощности этих источников очень слабый. Например, на Большом адронном коллайдере максимальная энергия протонов около 14 ТэВ, а энергия рождающихся там гамма-квантов ещё меньше. Она не идет ни в какое сравнение с теми космическими частицами, которые к нам летят из космоса, особенно той, о которой мы с вами говорим. Это электромагнитное излучение, чрезвычайно большой энергии.

Фотография центральной части установки "Ковер-3". Виктор Романенко, ИЯИ

– Что же знания о таких энергиях могут дать нам, землянам?

– Как я уже сказал, данное событие поможет нам пересмотреть старые представления о высокоэнергичных событиях, заглянуть в ту область энергии, до которой на Земле ещё очень-очень далеко, и, возможно, узнать что-то новое о физике на таких высоких энергиях.

Что представляет собой установка, на которой вы зарегистрировали небывалый фотон?

Это массив наземных детекторов, которые расположены на большой территории в виде ковра. Дело в том, что напрямую до нас гамма-кванты не долетают: долетев до атмосферы Земли, они сталкиваются с частицами атмосферы, рождая каскад частиц, который и доходит до поверхности земли. Вот он-то и регистрируется земными установками, такими как «Ковер-3».

– То есть, рекордный гамма-квант задетектирован опосредованно?

– Конечно, его энергия получена в результате сложной процедуры реконструкции по наземному отпечатку каскада. Это большая работа целой группы учёных, включающая в себя сложную экспериментальную работу и компьютерное моделирование.