Физики из России провели сверхточную "перепись" космических лучей

Международный коллектив ученых с участием российских исследователей провел пока самые точные и длительные наблюдения за космическими лучами сверхвысоких энергий и не нашел расхождений с современными астрофизическими теориями. Результаты их замеров были представлены в журнале Astroparticle Physics.

"Мы значительно превзошли предыдущие результаты и установили новые, наиболее сильные ограничения на поток фотонов в северном полушарии. Эти замеры дополняют пределы, установленные обсерваторией Пьера Оже в южном полушарии", – заявил Григорий Рубцов из Института ядерных исследований РАН в Москве.

Каждую секунду в верхних слоях атмосферы Земли образуются миллионы мюонов, электронов и прочих заряженных частиц, возникающих в результате столкновения космических лучей с молекулами газов в воздухе. Эти столкновения разгоняют новые частицы до околосветовых скоростей.

Ученые наблюдают за этими ними, используя эффект, открытый еще в 1934 году Павлом Черенковым и Сергеем Вавиловым. Они заметили, экспериментируя с гамма-излучением, что его попадание в жидкость вызывает в ней слабое, но хорошо заметное свечение благодаря тому, что фотоны высоких энергий выбивают электроны и разгоняют их до скоростей, превышающих скорость света в воде.

Этот эффект нашел широкое применение сегодня, его используют для обнаружения космических лучей и для "поимки" нейтрино сверхвысоких энергий. Подобные наблюдения, как надеются исследователи, помогут им проверить существование так называемого предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина, который составляет примерно восемь джоулей.

Под этим словом ученые понимают количество энергии, которую может иметь нейтрино или космический луч, движущийся к Земле от далеких галактик и прочих объектов космоса. Частицы, "нарушающие" этот предел, начнут взаимодействовать с микроволновым "эхом" Большого Взрыва, формировать новые частицы и терять энергию.

Сегодня физики ожесточенно спорят о том, могут ли нейтрино и другие частицы не соблюдать этот предел. Наблюдения за тем, как часто появляются фотоны высоких энергий, подходящие близко к этой отметке, помогут ученым разрешить этот диспут, раскрыть механизм разгона космических лучей и понять, все ли они ведут себя одинаковым образом.

Рубцов и его коллеги по институту, а также ученые из МГУ, ведут подобные наблюдения уже более десяти лет в рамках проекта Telescope Array вместе с коллегами из США, Бельгии и Южной Кореи. Он представляет собой набор из пяти сотен очень чувствительных детекторов излучения Черенкова-Вавилова, разбросанных по территории в одной из пустынь в штате Юта. Его постройка была начата в 2003 году, а первые научные данные Telescope Array получил в 2008 году.

Как передает пресс-служба Российского научного фонда, российские и зарубежные ученые проанализировали накопленные данные, используя методы машинного обучения, что позволило им убрать ложные срабатывания, "рассортировать" прародителей этих вспышек света и сравнить их между собой.

Пока им не удалось зафиксировать серьезных намеков на то, что предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина серьезно нарушается, но при этом ученые обнаружили две частицы, которые или близко приближаются к нему, или превосходят его на порядок.

Это открытие, как надеются ученые, поможет сузить возможный список теорий, объясняющих процесс формирования космических лучей, и подобраться ближе к раскрытию их природы.