В ноябре 2023 года физики опубликовали в журнале Science статью о обнаружении космической частицы с рекордной энергией в 244 экса электрон-вольт. Частица получила название в честь японской богини Солнца - "Аматэрасу". Проблема этого открытия в том что у физиков нет моделей, предсказывающих источники происхождения частиц даже в 1000 раз слабее. Является ли эта проблема "ломающей" современную физику или это стандартная задача поиска феномена по известным параметрам?
244 ЭэВ на сколько это много?
Чтобы оценить какую-то величину, нужно найти соразмерные понятные аналогии. Частицы в ускорителе часто разгоняют напряжением. Энергия, которую приобретет электрон, разогнанный всего одним вольтом напряжения чрезвычайной мала и в повседневной жизни ее не встретить. Даже максимальная энергия группы протонов, которую только планируют получить в обновленном Большом адронном коллайдере - 13,6 терра электрон-вольт все еще мала чтобы встретить ее в жизни. Космические частицы еще на два порядка энергичнее уже являются загадкой - их источник науке не известен. Энергии от 10 экса электрон-вольт уже вполне бытовые - такой энергией обладает шарик, выпущенный из страйкбольного пистолета. Чувствительно, но не опасно. Энергия вдвое выше - предел для пневматики в России. Энергия еще в 30 раз больше считается смертельно опасной для кинетического снаряда. Посередине между двумя последними категориями находится энергия Аматэрасу.
Проблема ли это для физики?
В науке бывают революции, начатые экспериментальным путем. Например, опыт Майкельсона-Морли опроверг существование эфира, на котором строилась вся концепция физики света в доквантовую эпоху. Но не любые неожиданные экспериментальные данные что-то ломают в физике. В случае с космическими лучами высоких энергий - нет известной модели, которая бы их предсказала. Иногда модели, построенные по косвенным измерениям дают предсказания на столетия вперед: теория относительности предсказала гравитационные волны за век до их открытия. Это победа человеческого гения над природой и большая удача. Довольно часто в экспериментальной науке происходит что-то среднее - открытие и ничему не противоречит и не было предсказано.
Механизм обнаружения космических лучей
Одинокая частица, прибывающая на Землю из космоса в неизвестное место под непредсказуемым углом - неуловима. Она очень мала и быстра. Однако, поймать поток частиц из космоса - рядовое дело. Астрономы-любители каждую ночь собирают поток фотонов рожденных, например, галактикой Андромеда и получают красивые астрофотографии. Счетчик радиации Ханса Гейгера щелкает вдали от Припяти или, вполне возможно, из-за пролетаюших сквозь чувствительнную турбку заряженных косических частиц.
Было бы куда более удобно фиксировать большой яркий фонтан из частиц со средней энергией, чем одну с высокой. К счастью для физиков, существует механизм образования "широкого атмосферного ливня" частиц. Есть осторожное предположение о том, что Аматерасу - протон. И когда он достигает Земли, то сталкивается с любым атомом или молекулой из состава Земной атмосферы. Атакованная молекула разрушается сама, но рождает новые частицы, обладающие частью энергии Аматерасу и движущиеся примерно в том же направлении. На их пути встают новые молекулы атмосферы, которые тоже разрушаются. Так происходит каскадный распад и эмиссия новых частиц. Шансы на обнаружение конечных продуктов "широкого атмосферного ливня" заметно выше, чем на поимку изначального космического протона, потому что их больше и они занимают больше места в пространстве.
Из чего состоит широкий атмосферный ливень частиц?
Другое распространенное название атмосферного ливня - "барионный ливень". Барионы - это тяжелые частицы - протоны и ядра химических элементов. На большую часть ливень состоит из протонов, попадаются ядра гелия и немного углерода, азота и кислорода, лития, бериллия и бора. Ловить такой "пресный" суповой набор было бы все равно сложно, ведь он не светится. Однако, "барионный ливень", наперекор названию, содержит еще и немного электронов, а они в свою очередь испускают свет! Именно световая вспышка, порожденная потоком электронов и рассеянная в атмосфере является отличным маркером космических лучей.
Детекторы космических частиц
Для того чтобы "поймать" космические лучи нужно не только зафиксировать факт их сущетования, нужно определить энергию и направление, откуда они прибыли. Это может помочь раскрыть таинство их рождения. Но как узнать заранее, где именно прольется "барионный ливень"? К сожалению, никак. Остается только занять детекторами максимально возможную площадь и ждать. Удачливый ловец, "поймавший" Аматерасу - Telescope Array - это международная коллаборация институтов. Массив состоит более чем из 500 детекторов, расположенных в штате Юта, США.
Некоторые детекторы пытаются зафиксировать непосредственное столкновение с продуктами "широкого атмосферного ливня". Другие "увидеть" вспышку и понять откуда она пришла. Работая вместе разные типы детекторов позволяют приблизительно определить направление падения космических лучей. Кроме того, оценив "ширину" ливня, можно сделать вывод о изначальной энергии гостя, ведь чем энергичнее был первоначальный протон тем больше он сможет породить частиц и тем на большую площадь они разлетятся в итоге.
Детекторы для более неуловимых частиц
А что если из космоса прилетит частица с высокой энергией, которая не желает взаимодействовать с атмосферой? Например, нейтрино спокойно проходят сквозь тучи, дома и даже нас с вами. Как их "ловить"?
Несмотря на хорошую проходимость, нейтрино все же подчиняются причудливым "казиношным" правилам квантовой механики: при большом числе столкновений сработают любые скромные вероятности. Так физики придумали наблюдать за большими объемами воды, создав нейтринную обсерваторию IceCube на Южном полюсе и глубоководный нейтринный телескоп на озере Байкал. Вода - достаточно плотная среда, в ней множество молекул и хоть с какой-нибудь нейтрино да и провзаимодействуют. "Ловят" нейтрино, в основном по вспышкам. Процесс барионного ливня в воде аналогичен широкому атмосферному ливню частиц, только в воде.
Потенциальные источники Аматэрасу
Массив Telescope Array "поймал" Аматэрасу, записав все ее данные. Почему нельзя посмотреть в ту же сторону обычным телескопом и точно понять откуда она взялась? Проблема в том, что протон - заряженная частица, а значит жизнь ее помотала. Любые объекты, обладающие магнитным полем - могут заставить космические лучи петлять. Кроме того, саму изначальную частицу-то мы и не поймали, значит и направление знаем примерно. Придется пойти другим путем - предположить: "Что могло бы породить протон с чудовищной, даже по космическим меркам, энергией?"
Естественные космические ускорители частиц до энергий пета электрон-вольт и выше могут быть уже известными объектами, например - аккреционные диски черных дыр или нейтронные звезды. Тогда механизм ускорения предстоит открыть физикам будущего. Если источник работает на совершенно новом принципе, открытием будет и принцип и сам источник. И новые свойства известных объектов и новые механизмы разгона могут внести коррективы в современные физические парадигмы, например в стандартную космологическую модель.
Физика сломалась, несите новую?
Означает ли обнаружение Аматэрасу необходимость забыть все чему нас учили на физике в школе? Может быть, но не сейчас. Если бы в рядах ученых долгие годы зрела революционная теория, центральным предсказанием который были бы космические лучи высоких энергий - сейчас она бы получила признание, финансирование, больше крутых специалистов. Но такой теории пока нет. После того как она будет создана на основе наблюдений дня сегодняшнего, ее предсказания будут касаться чего-то, что обнаружат лет через 100. А значит забыть все чему учили - задача школьников будущего.
Может ли частица с высокой энергией убить человека?
Энергия Аматэрасу сравнима с энергией резиновой пули из травматического пистолета. А что будет если она упадет прямо человеку на голову? Это был бы не простой вопрос для теоретической физики и страховой службы. Человек не очень хорошая ловушка для частиц и утилизировать всю свою энергию внутри тела человека космическое излучение не сможет. Однако, процессы в живых клетках сложны и разнообразны. Как минимум, поток протонов является ионизирующем излучением и может вызывать лучевую болезнь. К счастью для науки и несчастью для физика, в 1978 году Анатолий Бугорский подставил голову под пучок протонов крупнейшего советского ускорителя на тот момент и пролил свет на вопрос поражения человека частицами с высокой энергией - буквально и фигурально. Анатолий Петрович потерял слух на левое ухо, однако, серьезно не пострадал. В 1980 году он защитил кандидатскую диссертацию и до сих пор работает на том же ускорителе частиц (уже в возрасте 82 лет). Получается, опасность прямого попадания Аматэрасу не велика.Кроме того, космические лучи очень высоких энергий достаточно редки и мы прикрыты от них, как минимум, атмосферой, а чаще крышей дома своего. В итоге, "подарка" из глубокого космоса можно совсем не бояться.
Как заработать на космических лучах?
Проблема фундаментальной физики в том что вкладывать в нее деньги нужно сейчас, а приносить выгоду она позволит неизвестно когда. Это мышление нищего. Физики с мышлением миллионера пытаются придумать побочные технологии, основанные на фундаментальных исследованиях, которые можно применить сейчас. И космические лучи не исключение. Частицы, входящие в состав широких атмосферных ливнев могут "просвечивать" большие объекты (вулканы, пирамиды) насквозь, позволяя изучить их структуру. Кроме того, можно ориентироваться по звездам, когда нет чистого неба над головой - в подвале или подводной лодке. Об этом наша следующая статья.
Что еще посмотреть на эту тему?
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал