Дебаты вокруг космических лучей сверхвысоких энергий9.07.2002 18:53 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва
Космические лучи (КЛ) сверхвысоких энергий (UHECR) -- это частицы, приходящие из
космоса с энергией выше 
эВ (то есть выше 1 Дж!).
Они
наблюдаются косвенно, путем измерения каскада вторичных частиц
(широких атмосферных ливней), которые образуются при взаимодействии
первичной частицы UHECR с веществом атмосферы Земли. Это
крайне редкие события, оценка среднего потока таких КЛ
около 1 события на 1 кв. км. за 100 лет.
На сегодняшний день экспериментально зарегистрированы около
10 событий с энергией выше 
, и
по существу дела проблемы здесь две. Первая -- откуда вообще
берутся столь энергичные частицы (проблема ускорения), и вторая --
проблема завала спектра UHECR на энергиях выше 
эВ. Вторая проблема известна под проблемой
завала Грайзена-Зацепина-Кузьмина, по имени авторов, теоретически
предсказавших его существование в середине 60-х годов. Обрезание
спектра связано с взаимодействием энергичных
зараженных частиц с фотонами реликтового 3-градусного излучения
Вселенной. В результате такого взаимодействия рождаются
пионы (распадающиеся впоследствии на фотоны, мезоны и нейтрино)
и электрон-позитронные пары), в результате чего энергия
частицы UHECR уменьшается до тех пор, пока не станет
ниже порога фоторождения вторичных частиц. Зная плотность и спектр
реликтовых фотонов, несложно оценить, что любая заряженная частица
с энергией выше 
может приходить только из
области пространства с радиусом около 50 Мпк.
В 2000-2001 г. были опубликованы результаты японского
эксперимента AGASA, согласно которому зарегистрированные
8 событий с энергией выше продолжают
спектр КЛ без GZK-завала. Этот факт вызвал большое количество
теоретических работ, в которых для объяснения существования
частиц таких энергий использовались нестандартные модели.
Отсутствие GZK-завала называлось "вызовом стандартной модели
элементарных частиц", возможным "индикатором новой физики" и т.д.
Однако в конце 2001 г. и в 2002 г. были опубликованы данные
независимых экспериментов HiRes и Fly's Eye, в которых спектр КЛ на этих
энергиях показывал ожидаемый завал. Ситуация стала (и остается)
неопределенной, поскольку разные группы экспериментаторов отстаивают
надежность полученных данных.
В конце июня 2002 г. известные астрофизики Джон Бакол (J. Bahcall) из Института Передовых Исследований в Принстоне, Нью-Джерси, и Эли Ваксман (E. Waxman) из Вайцмановского института (Израиль) опубликовали результаты своего анализа существующих данных (см. препринт hep-ph/0206217). В этой работе авторы утверждают, что GZK-завал обнаруживается на уровне 7 сигма (!). Их анализ основан на сравнении с наблюдениями аналитической модели UHECR, в которой в качестве источников рассматриваются космические гамма-всплески. Согласно одной из наиболее правдоподобной модели гамма-всплесков, наблюдаемое гамма-излучение генерируется релятивистскими электронами за фронтом релятивистской ударной волны (или нескольких ударных волн), распространяющейся от центрального источника. Один из наиболее привлекательных механизмов ускорения частиц КЛ -- статистический механизм Ферми -- эффективно "работает" в этих условиях, так что КЛ высоких энергий вполне могут рождаться в результате взрывов гамма-всплесков. Далее, зная темп образования космических гамма-всплесков в галактиках, предполагая его стандартную космологическую эволюцию (возрастание с красным смещением пропорционально наблюдаемому темпу звездообразования) и учитывая процессы взаимодействия протонов высоких энергий с реликтовым излучением при их распространении, можно рассчитать ожидаемый спектр КЛ. Оказывается, его можно легко "подогнать" под наблюдаемые данные, не делая никаких экстравагантных предположений. Авторы приходят к выводу, что (1) GZK-завал реален и (2) космические гамма-всплески являются источником протонов сверхвысоких энергий.
Остается вопрос, почему же данные различных экспериментов
не согласуются друг с другом. В этом месте авторы отмечают, что
эксперименты в Якутске, HiRes и Fly's Eye (в совместных данных
которых отчетливо виден GZK-завал) на энергиях выше
эВ в сумме имеют экспозицию, втрое
превышающую экспозицию AGASA. В этой области энергий
этими экспериментами зарегистрировано 6 событий, и если
встать на точку зрения, что они измеряют "истинный" поток, то
следует ожидать всего 
события в эксперименте AGASA,
в то время как сообщалось о 8 событиях (плюс еще 2 события в дополнительных
неопубликованных экспозициях). Это разногласие исчезает, если
"сдвинуть" точки AGASA вниз по энергиям "всего" на 25%.
Таким образом, авторы ставят под сомнение абсолютную энергетическую
калибровку событий AGASA. С другой стороны, логично
предположить верность калибровки на
"уверенных" эВ во всех экспериментах. Тогда
при любом выборе "стандартного" эксперимента на этих энергиях
сдвиг точек AGASA оказывается меньше 20% для согласования
данных всех экспериментов в пределах 2 сигма (т.е. с вероятностью
около 95%).
Так реален же GZK-завал в спектре UHECR? Для окончательного ответа на этот вопрос, как всегда, нужны новые наблюдения. Ожидается, что в течение ближайших 2 лет начнет работать проект Auger, у которого статистика событий на этих энергиях будет на порядки выше. Что ж, нам остается закончить эту заметку словами Я.Б. Зельдовича (со слов А.А. Старобинского): "Если эксперимент подтверждает теорию, это приятно. Если не подтверждает -- это интересно".
На снимках:
.
спектр космических лучей сверхвысоких энергий
с данными AGASA, на котором не видно GZK-завала, и тот же
спектр с новыми данными HiRes (без данных AGASA)
, на котором
этот завал виден. Из работы Bahcall, Waxman
hep-ph/0206217.
|
Публикации с ключевыми словами:
космические лучи - гамма-всплески
Публикации со словами: космические лучи - гамма-всплески | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
