Знание-сила, 2001 № 04 (886) - [15]

Космические лучи с энергией больше, чем десять в двадцатой степени электронвольт, были зарегистрированы по вторичным частицам. Такая частица несет в себе энергию, равную энергии теннисного мяча Пита Сампраса при подаче. Скорость ее настолько близка к скорости света, что в собственной системе координат время почти останавливается, и за четверть часа частица пролетает тридцать миллионов световых лет. Энергия таких частиц во много миллиардов раз превышает ту, что удалось достичь на Земле путем колоссальных усилий на самых больших ускорителях. Одна из самых впечатляющих загадок природы – как это удается сделать. Очень хочется узнать секреты такого ускорения. Но сложность в том, что таких частиц невероятно мало – штуки, а для мало-мальски научного их изучения необходимо иметь хотя бы десятка три-четыре событий. Поэтому и строятся все более и более крупные детекторы.

Большинство космических лучей, попадающих в атмосферу Земли, имеют энергии не больше, чем десять в четырнадцатой степени электронвольт. Эксперименты на ракетах, спутниках и воздушных шарах показывают, что эти лучи состоят в основном из протонов с небольшой примесью более тяжелых элементов вплоть до железа.

Одна из возможных конструкции детекторов космических лучей

Еще Энрико Ферми полвека назад предложил гипотезу о том, что межзвездные ветры порождают заряженные частицы, которые попадают в поля магнитных облаков от взрывов сверхновых и там ускоряются до сверхвысоких энергий. Свою энергию они получают постепенно, однако проверить эту идею трудно, поскольку нет известных источников лучей, да и доходят они до Земли извилистыми путями.

Наблюдения за остатками сверхновых дают косвенные подтверждения, что такой механизм ускорения возможен, правда, лишь до энергий не выше десяти в пятнадцатой степени электронвольт. Это максимум, что можно набрать в магнитных облаках.

Было предложено немало альтернативных гипотез для ускорения до более высоких энергий: электрические поля в пульсарах, ядра галактик и даже столкновения галактик. Но все расчеты показывали, что и здесь не получается более высокой энергии. Кроме того, частицы с энергией выше десять в двадцатой уже совсем слабо заворачиваются галактическими магнитными полями, и направление их прихода на Землю должно указывать на источник. Но этого нет. На схеме, приведенной на стр. 30, видно, что распределены эти точки совершенно хаотично и не связаны ни с какими известными пульсарами или остатками сверхновых звезд.

Получается странное противоречие. Если мы видим частицу с энергией выше десять в двадцатой, значит она родилась где-то в пределах ста мегапарсеков от нас – не успела больше потерять энергии. Раз она родилась так близко и энергия ее велика, то она не могла отклониться от начального направления и должна указывать на источник рождения. Но таких явных источников нет! Значит, частицы пришли издалека. Похоже на логический тупик.

Чтобы найти из него выход, приходится искать новые процессы и источники, которые могут дать более высокие энергии. Список таких возможностей длинен, и одна экзотичнее другой. Среди них загадочные вспышки гамма-лучей, космические струны и магнитные монополи. Это, кстати, самая молодая гипотеза: все лучи с энергией выше десять в двадцатой – магнитные монополи. Гипотезы красивы, но бездоказательны. Они побуждают экспериментаторов к проверкам, но на большее не претендуют.

Для серьезного анализа ситуации необходимо существенно увеличить статистику – количество данных на самом интересном, высокоэнергетичном конце спектра. Для этого планируются и сооружаются детекторы нового поколения. По идее, они должны не только увеличить количество данных, но и повысить их качество. Главное – определять сорт пришедшей частицы.

Обычно детекторы размером в несколько квадратных метров объединяются в наземные массивы, покрывающие десятки квадратных километров. Время прохождения частиц определяется с точностью до миллиардных долей секунды, что позволяет определить направление первоначальной частицы с точностью до градуса. Самый большой наземный массив AGASA работает в Японии. Размеры его достигают ста квадратных километров, и за год он регистрирует одну частицу в интересующей нас области – вот такие масштабы набора статистики.

Так выглядит схема расположения фотоумножителей во льду

Еше один метод для регистрации высокоэнергичных частиц основан на том, что частицы ливня возбуждают азот в атмосфере, который потом флюоресцирует. Свет от этой флюоресценции может быть виден на расстоянии двадцати километров от оси ливня при помощи детекторов на Земле. Группа «Мушиный глаз» была пионером в этой области. Их установка успешно работает в горах пустыни Ута в США. Она состоит из двух частей, разнесенных на двенадцать километров друг от друга, чтобы можно было видеть каждую зарегистрированную частицу в стереопроекции.

Две эти методики дополняют друг друга. Первая работает постоянно, но она фиксирует ливень частиц лишь в один-единственный момент, когда он соприкасается с поверхностью Земли. Вторая позволяет проследить за процессом развития ливня от верхних слоев атмосферы. Но этот метод работает лишь десять процентов времени: для него необходима ясная, безоблачная и вдобавок безлунная ночь, чтобы ничто не мешало регистрировать достаточно слабый свет от ливня.