.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Беларусь
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.120480.html

статья Экзотические частицы отыщут в космических лучах

Максим Борисов, 09.04.2007
Профессор Хосе Игнасио Ильяна. Фото с сайта www.ugr.es/~jillana/
Профессор Хосе Игнасио Ильяна. Фото с сайта www.ugr.es/~jillana/
Реклама

Космические лучи, которые постоянно бомбардируют нашу планету - это своего рода "ускорители для бедных". Частицы сверхвысоких энергий, сталкивающиеся с атомами атмосферы, порождают так называемые широкие атмосферные ливни (ШАЛ) - целые каскады рождающихся и распадающихся элементарных частиц, которые в конце концов достигают самого дна воздушного океана и там могут быть зарегистрированы различными детекторами, что позволяет восстановить информацию о первородных "монстрах" (тот же, в сущности, принцип, что и в ускорителях, обвешанных датчиками, регистрирующими продукты распада сталкивающихся частиц). Таким образом невидимые тысячи частиц ежесекундно пронзают каждый квадратный метр отведенного нам пространства. Разумеется, космические лучи чрезвычайно высоких энергий - сравнительно редкие у нас гости, однако именно их взаимодействия с атмосферой открывают пусть и небольшую, но чрезвычайно важную "форточку" в физику ультравысоких энергий, то есть ту область, что еще очень и очень нескоро станет доступна даже самым продвинутым рукотворным ускорителям частиц.

Как правило, под космическими лучами подразумевают заряженные частицы (в основном, протоны, а также электроны, позитроны и ядра), хотя иногда к ним причисляют и фотоны высоких и сверхвысоких энергий. Взаимодействие с атмосферой высокоэнергетичного протона может в принципе привести к созданию какой-либо экзотичной массивной частицы, которой он передаст свою энергию (энергия обратится в массу в полном соответствии с формулой Эйнштейна). Эта частица окажется в составе общего ливня, составленного из тысяч других частиц. Однако если этот экзот проживет без дальнейших распадов достаточно долго, то он в принципе может быть зарегистрирован нейтринным телескопом (то есть провзаимодействовать с веществом сцинтиллятора в установке, предназначенной для ловли нейтрино) или каким-то подобным детектором. Три физика из Испании и Италии - Хосе Игнасио Ильяна (José Ignacio Illana), Мануэль Масип (Manuel Masip) и Давиде Мелони (Davide Meloni) - поставили перед собой цель оценить вероятность регистрации существующими и строящимися установками двух типов экзотических массивных частиц, которые пока еще не обнаружены "в натуре", а лишь предсказаны теоретически: глюино (gluino) - тяжелого суперсимметричного партнера глюона (возникающего в теории суперсимметрии - SUSY) - и "слабо взаимодействующих массивных частиц" (WIMPs - weakly interacting massive particle), которые ныне считаются основным кандидатом в темное вещество (то есть невидимую материю, заполняющую Вселенную наряду с обычным веществом - барионной материей).

Вывод, который был сделан в результате этой работы, нельзя назвать сенсационным, однако он дарит нам новые надежды: "WIMPs вряд ли можно будет обнаружить среди космических лучей, однако возможность изучить "новую физику" и глюино все-таки остается", - говорит физик-теоретик Хосе Игнасио Ильяна из Гранадского университета (Universidad de Granada), который вел эти исследования (публикация в журнале Physical Review D. 5 марта 2007 года).

Ильяна и его коллеги пришли к этому заключению, обратившись к статистическим данным по космическим лучам. Когда отдельная частица из состава галактических лучей сталкивается с ядром атмосферного атома (взаимодействует с каким-либо из его нуклонов), рождаются несколько вторичных частиц. В число этих вторичных частиц входят адроны - частицы, составленные из кварков (например протоны, нейтроны, пионы, и каоны). Если начальная энергия первичной частицы достаточно велика, то многие вторичные адроны оказываются достаточно высокоэнергетичными для того, чтобы в свою очередь в ходе взаимодействия с другими атмосферными ядрами произвести на свет экзотическую массивную частицу.

Сначала оценивался суммарный поток адронов - то есть космических лучей, содержащих как "первичные", так и вторичные адроны. Он определяется как общее число адронов, проходящих через квадратный километр атмосферы за один год на заданной высоте. Поток адронов с энергиями 104 ГэВ (10 тысяч миллиардов электрон-вольт) составляет приблизительно триллион частиц на квадратный километр ежегодно (большая часть из них поглощается атмосферой). С другой стороны, адронов с энергиями порядка 1011 ГэВ попадается меньше одного на квадратный километр в год. Эти высокоэнергетические космические лучи порождают взаимодействия, которые энергетически в 30 раз более эффективны, чем на самом большом в мире ускорителе частиц - Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC), который достраивают в ЦЕРНе (CERN) в Швейцарии.

Затем группа произвела оценку частоты столкновений между космическими лучами и ядрами атомов атмосферы, которые способны производить глюино (фактически, пары глюино, поскольку глюино не могут существовать в полностью автономном варианте). Пара глюино, согласно вычислениям испанских физиков, может порождаться самое большее однажды на квадратный километр в год, и то только в том случае, если его масса не существенно превосходит ныне существующий экспериментальный предел для глюино. И еще одно требование: реальный шанс на обнаружение глюино появляется только в том случае, если они окажутся достаточно долгоживущими, а иначе затеряются среди других частиц в общем каскаде.

Согласно оптимистичным прогнозам (если выполняются все эти требования), искомые экзотичные частицы могут быть обнаружены сразу в двух известных экспериментах. Для этого подходит, во-первых, "ледяной куб" IceCube Neutrino Detector - гигантский нейтринный телескоп, сооружаемый на Южном полюсе в Антарктиде и предназначенный для обнаружения высокоэнергетичных нейтрино. Он состоит из тысяч сферических оптических датчиков, замурованных в полярном льду, что покрывает область величиной в квадратный километр. Согласно теоретическим выкладкам, IceCube в состоянии зарегистрировать одну пару глюино в год.

Вторая возможность - искать такие события среди данных Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger Observatory, французский физик Пьер Оже считается первооткрывателем ШАЛ (1938), их иногда называют также ливнями Оже). Это еще один крупный и амбициозный объект, строительство которого близится к завершению. "Обсерватория" представляет собой сеть из 1600 огромных резервуаров, установленных на плоскогорье западной Аргентины (провинция Мендоса), заполненных водой (с атомами такого простейшего жидкого сцинтиллятора и будут взаимодействовать частицы) и снабженных фотоумножителями. Каждый такой бак отделен от соседних резервуаров на полтора километра. Резервуары обнаруживают частицы, отслеживая их взаимодействия с водой. Согласно оценкам Ильяны и его группы, в случае Обсерватории имени Пьера Оже следует ожидать гораздо большего количества нужных событий, чем у IceCube - около 20 глюино ежегодно.

К сожалению, когда исследователи повторили все свои вычисления для стабильных "вимпсов", то выяснилось, что зарегистрировать WIMPs даже с весьма умеренной массой будет чрезвычайно трудно. Ведь в отличие от глюино, участвующих в сильных взаимодействиях, вероятность обнаружения предсказанного количества нейтральных неуловимых WIMPs близка к нулю.

Источники:
Searching for Exotic Particles from Cosmic-Ray Collisions - PhysOrg.com
New physics from ultrahigh energy cosmic rays - arXiv.org - hep-ph

Ссылки:
Суперсила. Поиски единой теории природы - П.Девис
Крупнейшая в мире обсерватория начала регистрировать космические лучи

Максим Борисов, 09.04.2007


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей