Поиск частиц космических лучей сверхвысоких энергий
О поиске частиц со сверхвысокими энергиями, прилетающих к Земле в потоках космических лучей, о том, как и с какой целью ведется такой поиск, мы говорим с нашим постоянным автором, членом Научного совета журнала Игорем Ивановичем Ткачевым, академиком РАН, доктором физико-математических наук, заведующим отделом экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН.
«Знание – сила»: Игорь Иванович, Институт ядерных исследований, среди прочих научных направлений, занимается изучением частиц со сверхвысокими энергиями, которые прилетают к нам с космическими лучами. Что это за частицы и зачем нужно их изучать?
Игорь Ткачев: Частицы со сверхвысокими энергиями, образующие поток космических лучей, представляют особый интерес для физиков. Ведь у нас не так много «посланников» из глубин Вселенной, с помощью которых можно ее изучать. Прежде всего это фотоны. Здесь в нашем распоряжении весь диапазон длин волн (или, другими словами, энергий) – от радио до гамма-квантов с самыми высокими регистрируемыми сегодня энергиями, достигающими нескольких ПэВ (это миллион миллиардов электронвольт). В фотонах всего этого диапазона мы, конечно, получаем львиную долю информации и можем непосредственно наблюдать Вселенную, начиная буквально от эпохи ее младенчества. Относительно недавно сюда добавилась астрофизика нейтрино высоких энергий. Нужно отметить, что совсем недавно добавился еще один важный канал изучения Вселенной – гравитационные волны, но здесь наоборот, только очень длинные волны или сверхнизкие энергии, поэтому оставим их в стороне. Ну и, наконец, посланниками из космоса являются высокоэнергичные электрически заряженные частицы, атомные ядра. Здесь, собственно, в начале прошлого века и начиналась физика космических лучей как наука. Несмотря на название, к исследованию макромира, «космоса», к астрофизике, которой еще не было, она отношения тогда не имела. Такое название просто возникло по аналогии с Х-лучами Рентгена, когда стало понятно, что в природе имеется ионизирующее излучение, не связанное с радиоактивностью и приходящее извне Земли. Установил это Виктор Гесс, поднявшись на воздушном шаре и обнаружив, что это излучение растет с высотой, тогда как излучение, связанное с естественной радиоактивностью, должно было бы падать с удалением от Земли. Поэтому экипажи современных реактивных лайнеров, которые поднимаются высоко, летают с индивидуальным дозиметрами, однако их пассажирам, которые делают это редко, беспокоиться не следует. Ну, а Виктор Гесс за свое открытие получил Нобелевскую премию.
Итак, сегодня космические лучи – важнейший инструмент астрофизики. После своего открытия они сыграли решающую роль в становлении и развитии физики микромира, физики элементарных частиц. Ускорителей еще не было, и всё новые и новые частицы открывались в том, что тогда называлось космическими лучами. Так были открыты позитроны (антиматерия), мюоны, пи-мезоны, К-мезоны, гипероны, странные частицы… Но позже стало понятно, что это все вторичные частицы, которые рождаются в атмосфере во взаимодействии с ней первичных частиц очень высоких энергий. Вот эти первичные частицы и прилетают из космоса. И когда современные физики говорят «космические лучи», они имеют в виду именно их. Это могут быть атомные ядра, фотоны и нейтрино. Основной поток электрически заряженных первичных частиц не летит по прямой, а отклоняется в магнитных полях. Так что это и не лучи вовсе. Ну да ладно, название устоялось, и, надеюсь, я вас не запутал. По сути на ускорителях мы вышеописанные процессы и моделируем, чтобы, что называется, держать изучение элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий под полным контролем.
Среди сегодняшних задач отмечу следующее. Мы хотим понять, что является космическими ускорителями и как они устроены. Очень похоже, что на самых высоких энергиях работают черные дыры с массами в миллиарды Солнечных масс. Но это всего лишь одна из гипотез. Хотим измерить галактические и межгалактические магнитные поля. В общем, это важнейшая часть астрофизики. Но физика космических лучей играет важную роль в поисках новой физики и сегодня. Возможно, именно здесь мы сможем установить, из чего состоит темная материя. И такие указания уже имеются. Важный момент – из космоса к нам прилетают частицы с энергиями, которые невозможно получить на земных ускорителях. Вехой здесь явился эффект, предсказанный сотрудниками нашего Института Георгием Тимофеевичем Зацепиным, Вадимом Алексеевичем Кузьминым и, независимо от них, Кеннетом Грайзеном еще в 1966 году. Вслед за открытием реликтового микроволнового излучения они поняли, что протоны с энергиями порядка десять в двадцатой степени электронвольт будут в нем тормозиться, рождая пи-мезоны и теряя свою первоначальную энергию. Таким образом, в спектре космических лучей здесь должен возникнуть завал