Астронет > Дебаты вокруг космических лучей сверхвысоких энергий

Астронет: К. А. Постнов/ГАИШ Дебаты вокруг космических лучей сверхвысоких энергий
http://www.astronet.ru/db/msg/1177670

Дебаты вокруг космических лучей сверхвысоких энергий
9.07.2002 18:53 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва

Космические лучи (КЛ) сверхвысоких энергий (UHECR) -- это частицы, приходящие из космоса с энергией выше $10^{19}$ 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 $5\times 10^{19}$ , 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 $E_{GZK}\sim 5\times 10^{19}$ 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 $E_{GZK}$ 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 $E_{GZK}$ 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 $10^{20}$ 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 $2\pm 0.8$ 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" $10^{19}$ 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.