Еще один неплохой обзор по космическим лучам сверхвысоких энергий. (~10¹⁸љэВ).

Мы уже писали о связи земного климата с космическими лучеами, и даже высказывали мысль о связи флуктуаций потока космических лучей с получающимися в моделях флуктуациями темпа звездообразования в окрестностях Солнца. Вот еще одна работа по той же тематике.

Автор моделирует изменения потока космических лучей на очень большом временном масштабе, и сравнивает полученные результаты с данными по палеоклимату. Отметим, что данные по звездообразованию в окрестностях Солнца использованы в рамках очень простой модели. Более детально автор моделирует эволюцию параметров гелиосферы за счет эволюции Солнца.

Среди атмосферных ливней, зарегистрированных в ходе нескольких успешных запусков инженерной сети атмосферной черенковской обсерватории "Пьер Оже", проводившиеся с 2001 года, было одно событие с очень большим наклоном (зенитный угол >70^o). Оно произошло в ноябре 2002 года. Авторы использовали несколько алгоритмов для обработки этого события. Вывод - обсерватория "Пьер Оже" в полной конфигурации будет с высокой достоверностью регистрировать подобные события, что существенно расширяет ее "поле зрения" и увеличивает ожидаемую частоту доступных ей событий.

Речь идет о высоких галактических широтах, т.е. об областях неба вне плоскости Млечного Пути. Вдали от диска нашей Галактики гамма-истояниками могут быть как внегалактические объекты, так и что-то, населяющее гало Галактики, например, молекулярные облака. Автор рассматривает все эти варианты, а также дает подробное описание имеющихся данных (в первую очередь с прибора EGRET).

Последовав примеру других участников, коллаборация H.E.S.S. объединила четырехстраничные статьи о своей работе для материалов 28-й международной конференции по космическим лучам в один блок, который и предлагается вашему вниманию.

Участники коллаборации HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy) не стали размениваться на мелочи и объединили тринадцать отдельных коротких заметок в один большой материал. Описываются результаты наблюдений M87, M31, H1426+428, Mkn421, 1ES1959+650, SN1006, множества активных ядер галактик, а также просто результаты обзоров неба. Для большинства источников получены только верхние пределы, но есть и положительные результаты, т.е. некоторые источники удается увидеть в жестком диапазоне. Особенно рекомендуем прочесть обзорную заметку (страницы с 9 по 12), где сведены основные результаты и дан список зарегистрированных источников.

Стандартные солнечные модели указывают на то, что в течение последних 4.5 миллиардов лет светимость Солнца возрастала. Общий прирост - 30 процентов. Если и в самом деле 4.5 миллиарда лет назад Солнце было таким тусклым, то бОльшая часть Земли была покрыта льдом. Тем не менее, геологические данные указывают на существование тогда жидкой воды. Имеем парадокс!

Нир Шавив (о работах которого по космическим лучам и климату мы уже писали в одном из первых выпусков) предлагает такое решение. Молодое Солнце имело более сильный ветер. Этот поток частиц более эффективно останавливал космические лучи. Т.о. поток космических лучей, попадающий на Землю, был слабее. Как известно, космические лучи играют довольно важную климатообразующую роль. Собирая вместе все эти идеи и добавляя вариации галактического потока космических лучей (см. его более раннюю статью), Нир объясняет, как при тусклом Солнце на Земле могла существовать жидкая вода.

Есть такая загадка - "колено" в спектре космических лучей (см. рисунок ниже, вообще же на конференциях спектр космических лучей любят накладывать на картинку типа этой).

Мы писали и гипотезе "единственного источника", когда излом в спектре объясняется не какой-то вселенской особенностью, а просто связывается с близких (десятки-сотни парсек) недавним (10 000 лет) взрывом сверхновой. Остаток этой сверхновой и будет давать весь эффект.

В данной статье авторы предлагают кандидата: это Monogem Ring - близкий остаток сверхновой. По всей видимости, после взрыва осталась нейтронная звезда, которую мы видим как пульсар PSR B0656+14.

Начинать читать лучше именно с третьей статьи (astro-ph/0306371), в которой собственно описан эксперимент. GRAND - это небольшая установка из 64 станций по восемь камер каждая, размещенных на площади 100 на 100 метров. Эксперимент работает с 1996 г. Основным достоинством, по мнению создателей установки, является хорошее (для данного диапазона) угловое разрешение, достигаемое благодаря проволочным камерам (за разработку этих устройств в 1992 г. Шарпак получил Нобелевскую премию). Собственно, ничего выдающегося в самой установке нет. Просто, на наш взгляд, она является показательным примером небольших недорогих экспериментов, которых существует достаточно много. (Полная стоимость, указанная на странице проекта, порядка миллиона долларов. Сейчас проект ищет частное спонсорство, потеряв поддержку Национального Научного Фонда. Основные текущие расходы на поддержку установки, составляющие около 200 долларов в неделю, связаны с использованием аргона.) В первых двух статьях приводятся примеры, что может давать такая установка (кроме студенческого практикума).

В первой статье описана регистрация мюонного события, связанного с солнечной вспышкой 15 апреля 2001 г.

Во второй - описывается поиск совпадений событий, зарегистрированных GRANDом, с гамма-всплесками BATSE. Ни одного совпадения не обнаружено (самый сильный кандидат - на уровне 2.7 сигма).

Повторимся, ничего выдающегося в этих достижениях нет. Но, возможно, кому-то будет интересно почитать про работу небольших установок в США.

Многие наверное помнят дискуссии по поводу возможности создания микроскопических (и даже менее того, и слова-то подходящего нет) черных дыр на ускорителях. В природе это постоянно происходит само собой (имеются ввиду столкновения очень энергичных частиц) благодаря существованию космических лучей соответствующих энергий. Вопрос в том, какова она - "соответствующая энергия". Если это планковский масштаб, то забудьте и про ускорители, и про космические лучи. Но в современных многомерных теориях масштаб оказывается куда как меньше планковского: речь идет всего лишь о ТэВах. Такие лучи мы видим, точнее видим т.н. широкие атмосферные ливни (ШАЛы), порождаемые этими частицами.

Авторы обсуждают, как можно попытаться увидеть (или закрыть) эффекты, связанные с распадом объектов, образующихся при взаимодействии космических лучей сверхвысоких энергий с частицами в атмосфере Земли. Например, если образуется очень маленькая черная дыра, то она будет тут же "испаряться", и, соответственно, мы будем видеть продукты этого "испарения". Оказывается, что несмотря на всю экзотику отличить распад экзотического объекта от обычных реакций не так-то и просто. Но можно. Авторы показывают, какие особенности будут "выдавать" распад гравитационных объектов. Правда, в этой короткой заметке они не обсуждают, на каких установках можно провести решающие наблюдения...

Обсуждая связь экзотической фундаментальной физики и астрономии высоких энергий, отметим, что наблюдения частиц высоких энергий потенциально могут давать важную информацию об очень многих фундаментальных процессах на больших энергетических масштабах. В частности, есть важные астрономические пределы на возможное нарушение лоренц-инвариантности. Но лабораторные физики тоже не отстают: см. статью "Tests of Lorentz Invariance Using a Microwave Resonator: An Update".

DAMA - подземная обсерватория в Gran Sasso (Италия). Она включает в себя несколько детекторов, которые в частности призваны зарегистрировать частицы темной материи. Дается обзор всех экспериментов обсерватории. Описываются полученные на данный момент результаты (включая спорное обнаружение годичной модуляции, что было интерпретировано как открытие темной материи в лаборатории!). Обсуждаются дальнейшие планы.

Согласно теории Калуцы-Клейна наше пространство-время кроме четырех известных измерений имеет еще одно (по крайней мере) замкнутое измерение, радиус которого много меньше обычных бытовых масштабов, но много больше планковского. Частицы получают возможность двигаться в новом направлении, но для этого они должны обладать большой энергией - де-Броелевская длина волны должна целое число раз уложиться по окружности замкнутого измерения. В результате любая частица (в том числе маломассивная или безмассовая) порождает так называемую "башню Калуцы-Клейна" - семейство частиц, соответствующих разным уровням возбуждения по замкнутому измерению. Все частицы "башни" кроме первой - очень тяжелые. Возникновение "башни" - чисто геометрический эффект - он действует на любые частицы не зависимо от их свойств.

Отобрать энергию у тяжелых частиц "башни" можно, например, столкнув две такие частицы. В результате такого столкновения возникают две частицы космических лучей со сверхвысокой энергией. Равномерное распределение КК-частиц в пространстве делает их столкновения крайне редкими, однако если они сконцентрированы в компактных объектах (звездах, релятивистских звездах, MACHO и т.д.) или образуют собственные скопления (связанные состояния KK-частиц), то рассматриваемый механизм генерации высокоэнергичных частиц становится более реальным.

Происхождение космических лучей сверхвысоких энергий остается загадкой. Ситуация немного похожа на ту, что была с космическими гамма-всплесками до спутника BeppoSAX. И точно также разные авторы пытаются исследовать проблему распределения наблюдаемых событий на небе.

На нижнем рисунке показано распределение на небе 99 событий: 49 от установки SUGAR, работавшей в Австралии с января 1968 г. по февраль 1979, и 50 от японской установки AGASA, работающей с апреля 1990 г. по настоящее время (использованы данные до мая 2000 г.). Никакой анизтропии глазом не видно. Детальный анализ (см. верхний рисунок) подтверждает такой вывод. На верхнем рисунке показано распределение интенсивности космических лучей с энергиями выше 10^19.6 эВ в экваториальных координатах. Все хорошо согласуется со случайным распределением.

Этой же тематике посвящена короткая заметка К.Хойвата и др. (astro-ph/0305206) "Численный анализ достоверности анизотропии космических лучей".

Приятно сознавать, что у нас в стране получают хорошие экспериментальные результаты. Более того, оборудование обновляется и совершенствуется.

Хорошо известна проблема с космическими лучами сверхвысоких энергий. Обычно упоминают два эксперимента в этой области: AGASA и HiRes. Кроме них космические лучи самых-самых больших энергий видит еще и Якутский эксперимент.

В статье описывается измерение спектра космических лучей на энергиях выше 10¹⁵ эВ. Результаты сравниваются с полученными другими экспериментами (Akeno, AGASA и HiRes). На энергиях ниже примерно 10¹⁹ эВ эксперименты дают похожие результаты. На более высоких энергиях появляются различия (якутские результаты лежат, кстати, еще выше AGASA), но здесь велики неопределенности. Причем неопределенности как статистические (мало событий), так и систематические. Как неоднократно отмечали разные авторы, только эксперимент нового поколения (Оже - Auger) сможет дать необходимые данные для решения загадки космических лучей сверхвысоких энергий.

Проверять многие теории в лабораториях очень трудно. Поэтому стремятся найти "естественные" (природные) лаборатории. Как правило здесь на помощь приходит астрономия.

Построение теории квантовой гравитации - одна из основных целей современной фундаментальной физики. Все более-менее разумные попытки сделать это включают дополнительные измерения. Иногда эти дополнительные измерения имеют малый размер, иногда - большой.

Достаточно давно обсуждается возможность проверки теорий квантовой гравитации по наблюдениям космических лучей (подразумеваем здесь под этим протоны и ядра) и гамма-квантов высоких энергий. Оба этих направления сейчас активно развиваются, и мы не раз об этом писали (см. архивы). В данном обзоре речь идет о наблюдениях гамма-квантов на наземных установках (о различных экспериментах см. список). Основной метод заключается и поиске нарушения Лоренц-инвариантности. При этом скорость распространений фотонов разной энергии будет различной. Соответственно, если был узкий (по времени) всплеск, содержащий фотоны разных частот, то по мере распространения импульс будет уширяться (можно сказать "за счет взаимодействия с вакуумом"). Современные данные позволяют поставить достаточно жесткие пределы на такое уширение, чтобы это было интересно с точки зрения проверки предсказания теорий. Разумеется, новые эксперименты дают более жесткие пределы (связано это в первую очередь с увеличением размера зеркала, что позволяет набирать более хорошую статистику).

Можно также порекомендовать статью Бланк и др., где достаточно подробно разобрано, как наблюдения на наземных гамма-телескопах могут давать ограничения на параметры новых теорий. Кроме того, см. совсем свежую работу New constraints on space-time Planck scale fluctuations from established high energy astronomy observations.

Обзор он и есть обзор, однако тут речь идет об относительно малопопуляризованном, но активно развиваемом разделе наблюдательной астрономии - наземных телескопах, наблюдающих гамма-излучение (энергии порядка 10 ГэВ и выше). Конечно, напрямую такой квант здесь, на поверхности Земли, не поймаешь. Регистрируют оптическую вспышку, возникшую после проникновения жесткого гамма-кванта в атмосферу.

Сейчас в этой области работает множество экспериментов, и много новых инструментов находится в разной стадии создания (смотри список здесь) Они дают довольно интересные результаты. В гамма-диапазоне зарегистрированы активные ядра галактик, остатки сверхновых (и, по всей видимости, нейтронные звезды в них).

Кроме наземных планируются и очень интересные космические проекты. EUSO - телескоп, который смотрит вниз!!! Почитайте - не пожалеете.

Небольшой обзор по космическим лучам сверхвысоких энергий. Кратко описаны все основные проблемы и гипотезы. Обсуждаются различные возможные источники частиц столь высоких энергий: и астрофизические (нейтронные звезды, гамма-всплески, активные ядра галактик), и космомикрофизические (различные виды элементарных частиц и объектов). Кратко затрагивается вопрос о расхождении данных экспериментов HiRes и AGASA (список экспериментов см. здесь) Основной вывод в том, что пока статистика мала, и надо ждать новых больших экспериментов (AUGER, EUSO), которые должны дать достаточные данные для решения загадки космических лучей сверхвысоких энергий.

Предварительные результаты обработки данных по поиску дробных зарядов во время миссии AMS-01 в июне 1998 г. Конечно же, есть только верхний предел ....

^{(Архив Космические лучи:} v.2, 2004, v.1, 2002-2003)