ОБНАРУЖЕНЫ ЧАСТИЦЫ, "КОТОРЫХ НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ"

ОБНАРУЖЕНЫ ЧАСТИЦЫ, "КОТОРЫХ НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ"

В.А. Царев,
Доктор физ. - мат. наук,
Заведующий отделом Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,
tsarev@x4u.lebedev.ru

Из космического пространства на поверхность земной атмосферы по всем направлениям падает непрерывный поток частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Это так называемые "космические лучи" - в основном ядра атомов различных элементов. В среднем на каждый квадратный километр поверхности атмосферы ежесекундно падает несколько миллиардов таких частиц. Большая часть космических лучей возникает в процессах, происходящих в нашей Галактике. Это солнечные вспышки, испускание частиц пульсарами, взрывы сверхновых звезд. Частицы самых больших энергий, возможно, приходят из других, более активных галактик. Изучение космических лучей с помощью наземных установок или детекторов, расположенных на спутниках, является одним из наиболее эффективных способов исследования строения Вселенной и процессов, происходящих в ней.

Особый интерес представляют частицы с наибольшими энергиями, поскольку именно они позволяют получать сведения о самых мощных "ускорителях" Вселенной. К настоящему времени удалось зарегистрировать частицы с энергией до нескольких десятков джоулей. По масштабам физики частиц это гигантские энергии, превосходящие в сотни миллионов раз энергии частиц, ускоренных на самых крупных существующих сейчас лабораторных ускорителях. Однако дело не только в том, что это наибольшие энергии частиц, найденные до сих пор в природе. Существует еще одна, более глубокая причина, вызывающая повышенный интерес к космическим лучам с энергиями больше 8-10 джоулей (так называемыми "частицами ультравысоких энергий"). Дело в том, что наблюдение таких частиц не согласуется с представлениями, принятыми в современной астрофизике и физике элементарных частиц. А из истории науки хорошо известно, что именно те наблюдения, которые противоречат теоретическим ожиданиям, представляют особую ценность, поскольку такое противоречие является сигналом о необходимости построения новых теоретических концепций.

Почему же космические лучи ультравысоких энергий не должны были бы наблюдаться? Причина не столько в том, что нам доподлинно не известна природа космических "ускорителей", способных разгонять частицы до ультравысоких энергий. Само по себе ускорение до ультравысоких энергий в астрофизических объектах представляется возможным, хотя и требует реализации весьма экстремальных условий. Основная проблема с генерацией частиц ультравысоких энергий в астрофизических объектах связана не столько с самим ускорением, сколько с неизбежными потерями энергии в источнике или в его окрестности. Так, высокая плотность излучения в окрестности пульсаров приводит к рождению электрон-позитронных пар за счет конверсии в интенсивных магнитных полях, что в свою очередь приводит к уменьшению разности потенциалов ускоряющего поля и, соответственно, снижению максимальной энергии исходящих из источника частиц. В компактных объектах потери на синхротронное излучение становятся очень существенными даже для протонов. Сильные электромагнитные поля в центральных областях активных галактических ядер взаимодействуют с ускоренными протонами, приводя к рождению пионов и электрон-позитронных пар, что также снижает энергию частиц. В результате, возможность ускорения частиц в "космических ускорителях" до ультравысоких энергий становится не столь очевидной. Только в модели, предложенной Н.С.Кардашевым, где предполагается ускорение частиц в окрестности сверхмассивных черных дыр, возможно ускорение до гигантских энергий в десятки миллионов джоулей. В этом случае, несмотря на потери, результирующая энергия может достигать величин, вполне достаточных для объяснения наблюдаемых космических лучей ультравысоких энергий.

Но кроме потерь энергии в источниках существует еще одна причина, вызывающая торможение частиц космических лучей: на своем пути от источника до места наблюдения. Частицы теряют энергию при столкновениях с фотонами реликтового микроволнового излучения, заполняющего Вселенную. Как было показано еще в 1966 г Г.Т.Зацепиным и В.А.Кузьминым и независимо К.Грейзеном, эти потери таковы, что частицы, прошедшие в космическом пространстве расстояния более примерно 50 мегапарсек, не могут иметь ультравысоких энергий, независимо от того, каковы были их первоначальные энергии. Таким образом, на масштабах порядка 50 мегапарсек Вселенная оказывается "непрозрачной" для частиц ультравысоких энергий. Но в окрестности Земли в пределах таких расстояний и в тех направлениях, откуда пришли зарегистрированные детекторами частицы ультравысоких энергий, не обнаружены астрофизические объекты, которые могли бы быть источниками подобных частиц.

Для выхода из возникшей парадоксальной ситуации было предложено множество различных моделей. В некоторых из них делаются попытки пересмотра традиционных механизмов ускорения частиц в астрофизических объектах. В других предполагается существование новых частиц со специальными свойствами. Это могли бы быть частицы, более тяжелые, чем протоны, для которых потери энергии при взаимодействии с реликтовым излучением не столь велики как для протонов. Другая интересная возможность связана с предположением о существовании магнитных монополей - гипотетических частиц с магнитными зарядами, предсказываемых современной теорией, но до сих пор не обнаруженных экспериментально. Ожидается, что монополи могут ускоряться до очень высоких энергий в межзвездных магнитных полях и способны проходить огромные расстояния без существенных потерь энергии. Широко обсуждаются также различные варианты сценария, предполагающего существование очень массивных нестабильных или метастабильных частиц (которые могут составлять часть "темной материи"). Эти частицы могут быть либо метастабильными реликтами ранней Вселенной с временами жизни порядка возраста Вселенной, либо они могут возникать из топологических дефектов, рожденных в ранней Вселенной. Распады этих частиц могут приводить к рождению космических лучей ультравысоких энергий. Эти супермассивные частицы могут быть распределены в гало Галактики (т.е. на относительно небольших расстояниях от Земли), что позволяет объяснить как малые энергетические потери, так и наблюдаемую изотропию направлений прихода космических лучей ультравысоких энергий. Еще одна интересная возможность - рождение космических лучей ультравысоких энергий при столкновениях очень энергичных нейтрино с малоэнергичными реликтовыми нейтрино, заполняющими Вселенную. Наиболее радикальное объяснение предполагает проявление при очень высоких энергиях новых геометрических свойств пространства-времени и нарушение специальной или общей теории относительности, являющихся фундаментом современной физики.

Таким образом, проблема космических лучей ультравысоких энергий оказывается связанной с наиболее фундаментальными аспектами современной астрофизики и физики элементарных частиц. Объяснение загадки этих частиц может привести к интересным физическим и астрофизическим открытиям, а возможно и к радикально новой физике. В том случае, если их источниками являются макроскопические астрофизические объекты, исследование частиц ультравысоких энергий позволит лучше понять механизмы ускорения и энергетических потерь в этих сверхмощных ускорителях Вселенной. Вместе с тем, рассматриваемая область энергии находится вне досягаемости земных ускорителей и исследование космических лучей ультравысоких энергий дает уникальную возможность изучения физики частиц при столь высоких энергетических масштабах. Открывающиеся перспективы "проникновения" в эпоху ранней Вселенной, исследования "сильной" гравитации, рождения микроскопических "черных дыр", и, возможно, пересмотра основ теории относительности - всё это служит несомненной мотивировкой для создания новых детекторов космических лучей ультравысоких энергий и поиска новых методов их регистрации.

К настоящему времени на крупнейших установках, предназначенных для изучения космических лучей, удалось зарегистрировать лишь около двух десятков космических частиц ультравысоких энергий. Эти данные позволили только выявить существование проблемы. Для детального изучения этих частиц и проверки моделей, предложенных для их объяснения, необходимо увеличить статистику наблюдений и продвинуться к ещё большим энергиям. Однако поток таких частиц чрезвычайно мал. Он составляет примерно одну частицу на 1 км2 в столетие, что примерно на 20 порядков меньше общего потока космических лучей. Поэтому для статистически значимого набора экспериментальных данных при ультравысоких энергиях за разумное время требуются детекторы способные просматривать огромные площади.

Напомним, что при энергиях выше чем примерно 0,001 джоуля, при которых поток космических лучей становится меньше, чем одна частица на м2 в год, для их изучения используются детекторы, которые регистрируют не первичное космическое излучение, а вторичные частицы, входящие в состав широких атмосферных ливней (ШАЛ), инициированных первичными космическими частицами в атмосфере Земли. В настоящее время для исследования частиц ультравысоких энергий создаются и проектируются детекторы нового поколения с очень большой апертурой. Эти установки ориентированы на регистрацию заряженных частиц или фотонов (черенковского или флуоресцентного излучения), возникающих в ШАЛ ультравысоких энергий. Характерные размеры просматриваемой площади должны достигать 6000 км2 в наземной установке, Обсерватория Оже, и около ста тысяч км2 при регистрации флуоресцентного света со спутника (см. статью Б.А.Хренова "Релятивистские метеоры ").
Недавно группа сотрудников Физического института им. П.Н.Лебедева (ФИАН) и НИЦ им. Г.Н.Бабакина предложила регистрировать космические лучи ультравысоких энергий с помощь радиоприемных устройств, размещенных на спутниках и аэростатах. Эти устройства будут принимать радиоимпульсы, которые возникают в атмосфере Земли при попадании в нее космических частиц ультравысоких энергий и развитии ШАЛ. Радиоизлучение атмосферных ливней было теоретически предсказано в 1961 сотрудником ФИАН Г.А.Аскарьяном и вскоре после этого обнаружено экспериментально. В дальнейшем работы проводились во многих лабораториях мира, и радиоимпульсы от ШАЛ были зарегистрированы с помощью наземных приемников в широком интервале частот. Помещение приемников на спутники или аэростаты существенно повысит эффективность радиометода. В техническом отношении радиометод представляется более простым, чем регистрация оптического излучения, а высокоразвитая радиотехника позволит регистрировать импульсы даже в присутствии сильных фоновых помех и использовать преимущества развитых в радиофизике методов анализа импульсов. Подобный подход позволяет использовать очень большую длину распространения радиоволн. Как результат, для спутникового и аэростатного экспериментов можно обеспечить просмотр огромной площади атмосферы (порядка 107 км2) и регистрировать с высокой статистической обеспеченностью частицы ультравысоких энергий. При этих энергиях мощность радиосигнала (пропорциональная квадрату энергии первичной частицы, вызвавшей ШАЛ) оказывается весьма значительной, и выделение сигнала из фоновых помех существенно упрощается. Чтобы сделать это выделение еще более надежным, предполагается использовать специфические особенность радиосигналов от ШАЛ: малую длительность (10-7-10-6 с) и известную форму импульса и поляризацию излучения.

Проект эксперимента по регистрации космических лучей ультравысоких энергий радиометодом является частью более широкой научной программы "ПАС" ("Пленочные астрофизические структуры"), включающей также поиск массивных заряженных частиц "темной материи", регистрацию потоков космических ядер низких энергий и мониторинг потоков микрометеоритов. Предполагается, что все эти исследования будут базироваться на использовании легких спутников, снабженных специальными тонкопленочными конструкциями. Подобные конструкции могут найти применение во многих областях науки и техники. Так, настоящее время в различных странах мира проводятся исследования, имеющие своей целью создание в космосе отражателей большого размера, а также "солнечного парусного карабля" - космического аппарата, снабженного тонкопленочными "парусами" большой площади и движущегося под действием давления солнечного света. Первые обсуждения возможности создания и использования ПАС относится к 20-м годам 20 века. Пионерами этих исследований были отечественные ученые Ф.А.Цандер и К.Э.Циолковский, а также немецкий ученый Х.Оберт. Значительный размах работы по ПАС приобрели после запуска первого искусственного спутника Земли. В настоящее время обсуждаются различные области возможного применения ПАС: облучение земной поверхности отраженным солнечным светом, энергоснабжение в космосе и из космоса, полеты космических аппаратов с "солнечными парусами", радиоастрономия и радиосвязь. В некоторых из предложенных проектов предполагается использование ПАС площадью в десятки квадратных километров. Нельзя не согласиться, что подобные проекты напоминают картины из футурологических романов. Не следует, однако, забывать, что стремительное развитие космической техники привело к осуществлению многих проектов, казавшихся совсем недавно фантастическими. Поражают воображение перспективы полетов космических аппаратов с "солнечными парусами". Напомним, что идея использования светового давления для разгона космических кораблей, далеко опередившая свое время, принадлежит Ф.А.Цандеру. Ориентируя солнечный парус, можно создавать тягу и управлять космическим аппаратом. При этом на создание ускорения не расходуется энергия и рабочее тело.
В последние годы прошлого века внимание широкой общественности к идее солнечного паруса привлекли предложения о проведении регаты солнечных парусных кораблей по маршруту Земля-Луна-Марс, приуроченной к 500-летию открытия Америки (в 1993). В США для этих целей предлагалось построить корабль весом 4900 кг с площадью парусов 624000 м2. В Европе обсуждалоcь создание аппарата, предназначенного для демонстрационных полетов, с массой 650 кг и парусами, изготовленными из каптоновой пленки толщиной 2 мкм, площадью 60000 м2. В России работы по созданию "Солнечного парусника" проводились консорциумом "Космическая регата", созданным ведущими предприятиями космической отрасли России во главе с НПО "Энергия", а также НИЦ им. Г.Н.Бабакина.

К сожалению, идею солнечной парусной регаты до сих пор не удалось реализовать. Самые заметные достижения в этой программе, насколько нам известно, были получены к настоящему времени в России. К юбилейным торжествам 4 февраля 1993 года на околоземной орбите на борту грузового транспортного корабля "Прогресс-М" было проведено развертывание макета солнечного паруса. В настоящее время в НИЦ им. Г.Н.Бабакина изготовлен космический аппарат с парусом площадью 660 м2 и начаты его испытания. На рисунке показано компьютерное изображение этого "парусника" с 8 управляемыми секциями в космическом пространстве.

Аппарат должен выводиться на орбиту с помощью конверсионной ракеты "Волна" с подводной лодки.
Научно-технические разработки НИЦ им. Г.Н.Бабакина создают основу для реализации научной программы ПАС. При этом следует подчеркнуть, что для обеспечения данной программы нет необходимости в достижении экстремальных параметров, требуемых для "солнечного парусника" (сверхтонких пленок, малого веса спутника и каркаса и т.п.). Результаты, полученные при создании солнечного паруса к настоящему времени, уже достаточны для создания радиотелескопа для регистрации космических лучей ультравысоких энергий. Металлизированная поверхность ПАС может служить для создания отражателя, собирающего радиоволны, и экрана для защиты от шумовых помех. Усиление полезного сигнала и направленность антенны могут быть использованы для эффективного подавления шумов.

В настоящее время к решению научной задачи - регистрации космических лучей ультравысоких энергий - привлечена широкая кооперация научных учреждений, включающая также зарубежных партнеров: ФИАН, НИЦ им. Г. Н. Бабакина, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ, С.-П. ФТИ, ВУГУ (Луганск, Украина), Institute of Advanced Studies (Tokyo, Japan). На крупнейшем в мире, работающем в метровом диапазоне радиотелескопе Отдела Радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН (г. Пущино) проведена отработка методики регистрации ШАЛ радиометодом с помощью наземного приемника. Готовится регистрирующая аппаратура для установки на высотном аэростате. Предполагается, что первые пробные измерения будут проведены в ходе его длительного полета вокруг Северного полюса. Конечным этапом программы должны стать измерения со спутников. Можно надеяться, что реализация предлагаемой программы создаст предпосылки для серьезного продвижения в весьма актуальном направлении современной астрофизики.
©Copyright

[Katrin]

Эмн...... а на русский это перевести можно? И желательно парой фраз

Ё-маё... А че тут непонятно то было?
Ну пиши че не ясно - разъяснить попробую на пальцах.

Сообщение от Katrin

Эмн...... а на русский это перевести можно? И желательно парой фраз

карочи есть частицы, каторые не вписываются в законы астрофизики и термодинамики.. вот и придется всю физику переделывать чото придумывать.. новые идейные занозы.. есть поле где развернуться юным дарованиям и гениям..