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 ученых 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, но 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.
Детекторы космических частиц
Трудно поймать что-то малое и быстрое. К счастью, физика подарила нам механизм, облегчающий эту задачу. Когда частица с высокой энергий сталкивается со средой возникает каскад реакций распада с образованием новых частиц. Это называют "ливнем". Аматэрасу, предположительно, протон - частица, которая хорошо взаимодействует с атмосферой, вызывая "атмосферный ливень частиц", который был обнаружен обсерваторией Telescope Array - это международная коллаборация институтов, расположенная в штате Юта, США. В распоряжении массива более 500 детекторов, некоторые из которых следят за вспышками в в атмосфере, а некоторые регистрируют непосредственное попадание частиц из "атмосферного ливня".
Однако, не все частицы готовы запустить коллайдер в атмосфере. Например, нейтрино свободно проходят сквозь газы и даже плотные среды. Такие частицы проще детектировать по "барионному ливню" в большом объеме воды. Самые крупные детекторы частиц, основанные на этом методе: нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе и глубоководный нейтринный телескоп на озере Байкал.
Потенциальные источники Аматэрасу
Что же делать с таким открытием? Искать источники. 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 будет предметом будущих открытий. Если же источник работает на совершенно новом принципе, открытием будет и принцип и сам источник. И уже хорошо изученные свойства известных источников и механизмов разгона могут внести коррективы в современные физические парадигмы, например в стандартную космологическую модель. Однако, ожидать стремительного развития событий в этой сфере не стоит. Поиск источника заряженных частиц осложняется тем, что они отклоняются магнитным полем и летят до нас не по прямой. Влияние гравимагитной силы на небесную механику вообще - открытый вопрос для современной физики. Возможно, электромагнитные поля в космосе сильнее чем кажутся и вносят более существенный вклад в формирование галактик и даже супер-кластеров галактик. На это как бы и "намекают" частицы с высокой энергией из далекого космоса. Однако, намеки эти запутаны и витиеваты.
Может ли частица с высокой энергией убить человека?
Энергия Аматэрасу сравнима с энергией резиновой пули из травматического пистолета. А что будет если космическое излучение столкнется с человеком? Это был бы очень сложный вопрос для теоретической физики. Человек не очень хорошая ловушка для частиц и утилизировать всю свою энергию внутри тела человека космическое излучение не сможет. Однако, процессы в живых клетках будут сложны и разнообразны. Как минимум, протоны являются ионизирующем излучением и могут вызывать лучевую болезнь. К счастью для науки и несчастью для человека, в 1978 году Анатолий Бугорский подставил голову под поток протонов крупнейшего советского ускорителя на тот момент и пролил свет на вопрос поражения человека частицами с высокой энергией. 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). Вместе с тем, что подобные Аматэрасу космические лучи достаточно редки и мы прикрыты от них, как минимум, атмосферой - бомбардировок из глубокого космоса можно совсем не бояться.
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