Главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), доктор физ.-мат.наук Анатолий Ерлыкин и его коллега из университета г. Дарэм (Великобритания) профессор А.У. Вольфендейл в одном из последних номеров журнала «ЦЕРН-курьер» заключают, что так называемый излом в спектре космических лучей не связан с изменением характера ядерно-физического взаимодействия. Сделать такой вывод ученым помогли результаты запуска Большого адронного коллайдера при энергии 7 ТэВ.

В начале лета этого года коллаборация ученых, задействованных в эксперименте ALICE (один из экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе – по поиску кварк-глюонной плазмы), представила первые результаты протон-протонных столкновений при энергии 7 ТэВ (по 3,5 ТэВ на пучок). На настоящий момент ни один из созданных руками человека ускорителей не дает энергии больше этой. Однако в планах ученых стоит разгон «гигантской машины» до еще больших «мощностей», и в идеале через 2 года Большой адронный коллайдер сможет разгонять встречные пучки частиц до суммарной энергии 14 ТэВ. Тем не менее, и результаты, полученные при промежуточной энергии 7 ТэВ, представляют большой интерес,– эта энергия является рекордной, и можно ожидать появления новых процессов.

Впервые за всю историю науки благодаря созданию Большого адронного коллайдера был пройден энергетический интервал так называемого излома в спектре космических лучей. Основное, что показали эти данные, что рост количества частиц как по абсолютной величине, так и по характеру зависимости от энергии, на всем исследованном интервале идёт довольно плавно. Это означает, что при энергиях в области наблюдаемого в спектре космических лучей излома не происходит каких-либо серьёзных изменений в характере взаимодействия частиц", – рассказывает главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Анатолий Ерлыкин.

Рис. 1. Спектр космических лучей (синим отмечена область «колена»).

Излом в спектре космических лучей (или на западный манер – «колено») представляет собой изменение характера спектра вблизи энергий 3–4 ПэВ (3–4*1015 эВ). Он был открыт около 50 лет назад. Здесь стоит рассказать о причинах «несоответствия» в порядке сравниваемых по величине энергий на ускорителе (7*10¹² эВ) и в природе (3–4*10¹⁵ эВ). Оно объясняется известным в теории относительности преобразованием Лоренца. Дело в том, что на Большом адроном коллайдере сталкиваются две летящие навстречу частицы, в природе же корпускула космических лучей сталкивается с «коллегой», которая «покоится» в атмосфере. По законам преобразования Лоренца при переходе от системы центра масс, где обе частицы летят навстречу друг другу в ту, где одна из частиц покоится, систему центра масс необходимо разогнать, в данном случае примерно в 3.7*10³ раз. Поэтому в «лабораторной» системе координат энергия 7*10¹² эВ соответствовала бы примерно 2.6*10¹⁶ эВ, которая превышает значение 3–4*10¹⁵ эВ.

Но вернемся к сути излома. Дело в том, что однозначного объяснения этому явлению до сих пор нет. Однако есть несколько моделей, которые подразделяются на два класса – ядерно-физические и астрофизические. Первый класс моделей объясняет излом фундаментальным изменением характера взаимодействия частиц космических лучей с «покоящимися» частицами верхних слоев атмосферы, второй же основан на влиянии на энергетический спектр космических факторов, например, галактических магнитных полей или взрывов сверхновых.

Ядерно-физические модели, – комментирует Анатолий Ерлыкин, – связывают происхождение излома с серьезным изменением характеристик взаимодействия частиц в этом энергетическом интервале. Ведь на самом-то деле мы не видим частицу первичной энергии, а видим только так называемый широкий атмосферный ливень, то есть ливень вторичных частиц, образующихся в результате множественных взаимодействий первичных частиц космических лучей с частицами атмосферы".

Однако как показал эксперимент, никаких серьёзных изменений в характере взаимодействия сталкивающихся на ускорителе частиц нет, а, значит, нет причин для изменения характера энергетического спектра космических лучей и в природе. Получается, что причина излома кроется среди другого класса моделей – астрофизических.

Я и мой коллега профессор Вольфендейл отдаем предпочтение влиянию сверхновых звезд. Дело в том, что сверхновые не могут ускорять частицы до энергии больше определенной, поэтому наблюдающаяся резкость излома может быть связана именно с ограничением той энергии, до которой сверхновая может ускорять. А дальше может происходить смена источников этих частиц, возможно, это те же сверхновые, но уже другого сорта, более энергичные, так называемые гиперновые звезды", – объясняет Анатолий Дмитриевич.

Область излома в спектре космических лучей интересна не только сама по себе, но и кроет в себе ответ на вопрос, который за сто лет с момента обнаружения космических лучей так и остался открытым, – откуда они берутся. Поэтому исследования и анализ различного рода данных, которые могут пролить свет на этот вопрос, крайне важны.

По материалам: