7. Мистерия обрезания

    Итак, экспериментальные данные могут указывать на возможность существования в природе частиц с энергиями в ЗэВ’ы. Именно такую осторожную формулировку применяют учёные к полученным до настоящего времени результатам экспериментов. Но в ожидании новых данных мысль исследователей не стоит на месте и в равной мере рассматривает как возможности их присутствия в природе, так и отсутствия таких частиц…
    Но, прежде всего, конечно, возникает вопрос о самом существовании в природе объектов, способных ускорить частицы до столь гигантских энергий. Рассмотрим эту проблему более подробно.

7.1. Диаграмма Хилласа или в поисках Зэватрона

    Заряженные частицы космических лучей отклоняются в космических магнитных полях. Даже для частиц с энергиями из ультрарелятивистской области ЕэВ = 10¹⁸ эВ и выше на галактических расстояниях заметно отклонение от прямой линии. В магнитном поле с напряжённостью ~3 мкГс ларморовские радиусы для частиц с энергией >10²⁰ эВ порядка 1000 парсек (см. рис. 4.4). Это больше, чем толщина диска Галактики (см. рис. 1.7). Поэтому почти с уверенностью можно говорить, что частицы ультравысоких энергий рождаются за пределами нашей Галактики.
    Но если всё же допустить, что “Галактический Зэватрон” существует где-то рядом с нами, мы могли бы его “увидеть” по характерному изменению анизотропии потоков частиц с увеличением энергии: по мере приближения к ультравысоким энергиям направления прихода частиц должны всё больше и больше совпадать с галактической плоскостью. Статистически значимых экспериментальных результатов, подтверждающих такую модель, – нет. А есть ли вообще во Вселенной кандидаты в Зэватроны?
    Если не отходить далеко от основного механизма ускорения астрофизических частиц на межзвёздных неоднородностях магнитного поля и/или на ударных волнах (см. главу 6), то, как мы видели, существует проблема ограничения максимальной энергии ускоряемых частиц - Е_max, определяемой размером области ускорения, скоростью ударной волны, величиной напряженности магнитного поля и зарядом ускоряемой частицы.

Рис. 7.1. Диаграмма Хилласа, демонстрирующая возможности различных астрофизических объектов как ускорителей частиц. Сплошные линии – оценки размеров (в парсеках) и величины магнитного поля (в гауссах) объектов, способных разогнать протоны до энергий в 1020 и 1021 эВ при скорости ударной волны в 300 раз меньшей, чем скорость света. Точечная кривая - то же для ядер железа. Тёмными пятнами отмечены наблюдаемые размеры и магнитные поля различных астрофизических объектов. Вероятно, что при заданных предположениях о характере самого механизма ускорения (Ферми) в известной нам Вселенной нет явного кандидата на роль Зэватрона. Для сравнения здесь же показаны характеристики работающего на Земле крупнейшего ускорителя Tevatron и строящегося LHC.

   Существует так называемая диаграмма Хилласа (рис. 7.1), демонстрирующая возможности ряда астрофизических объектов, которые могли бы претендовать на роль космических Зэватронов. Если частица ускоряется в окрестности какого-либо астрофизического объекта, то её ларморовский радиус должен быть меньше самого размера этого объекта. Этим геометрическим соотношением и определяется максимально допустимая энергия ускоряемых частиц – Е_max , т.к ларморовский радиус, как это мы видели выше, зависит от энергии частицы. Но, с другой стороны, можно показать, что Е_max определяется и скоростью распространяющейся ударной волны. Здесь существует прямая зависимость – чем больше скорость волны, тем больше Е_max. На диаграмме Хилласа прямыми линиями показаны соотношения магнитное поле В – размер астрофизического объекта L ( или ускорительной области) которые необходимы для достижения предельного значения энергии протонов Е_max = 10²⁰ эВ при двух значениях скоростей ударных волн (в единицах = v/c – “безразмерная” величина скорости в единицах скорости света): с = 1/300 (сплошная линия) и 1 (штриховая), а для ядер железа только при = 1 (точечная линия). Здесь же, на рис. 7.1 в масштабе В и L, показаны основные астрофизические кандидаты в Зэватроны.
    Рассматривая в качестве кандидатов на источники космических лучей ультравысоких энергий разные астрофизические объекты, следует принять во внимание возможность замедления частиц в процессе их распространения от источника. В приведённых на рис.7.1 зависимостях Е_max возможные потери частиц в процессе ускорения не учтены, поэтому потенциальные Зэватроны, вообще говоря, в этих координатах должны находиться значительно выше прямых Е_max = 10²⁰ эВ.
    В первую очередь следует учитывать синхротронные потери. Эти потери пропорциональны В² , поэтому для компактных астрофизических объектов, в которых магнитное поле чрезвычайно велико, они должны быть весьма ощутимы.
    Такими объектами могут быть нейтронные звёзды. В них магнитное поле может достигать фантастических величин – 10¹²-10¹⁵ Гс (для примера, – на поверхности Земли в районе экватора магнитное поле 0.3 Гс). Поэтому из-за синхротронных потерь нейтронные звёзды вряд ли могут быть кандидатами на роль источника частиц с энергией >10²⁰ эВ.
    Только такие области, как внешние доли радиогалактик и межгалактическая среда, имеют достаточно слабые магнитные поля, и не создают существенных синхротронных потерь.
    Другой объект - всплески гамма-излучения (Gamma Ray Bursts - GRB ) – наиболее мощное в природе явление: в очень короткий промежуток времени – от 0.1 до 100 сек – всплески высвобождают энергию в виде гамма-квантов порядка 10⁵² эрг. Частота всплесков оценивается на уровне ~1-2 в день. Для полного объёма Вселенной выделение энергии гамма-всплесками составляет величину ~3х10⁴⁴ эрг Мпк^-3 в год, что совпадает с полной энергией космических лучей с при >10¹⁹ эВ.
    GRB могут ускорять протоны и другие заряженные частицы до очень больших энергий. Очень вероятно, что ускорение частиц происходит на ультрарелятивистских ударных волнах, распространяющихся от источника в виде сферы или конуса, однако детали такого ускорения ещё не разработаны. Мы вернемся к их рассмотрению в главе 9.
   Активные галактические ядра (Active Galactic Nuclei – AGN) – другие очень интересные астрофизические объекты. Это целый класс галактик – квазары, блазары, сейфертовские галактики, радиогалактики и ряд других, которые характеризуются очень интенсивным радиоизлучением. Для наблюдателя с Земли они выглядят как звёзды и имеют огромное энерговыделение: от 10⁴² до 10⁴⁸ эрг/сек, что намного больше, чем энерговыделение всего Млечного Пути. Поэтому Активные ядра – одни из наиболее ярких известных объектов во Вселенной. Они могут менять свою яркость в течение очень короткого периода времени, указывая на то, что эмиссия идёт от объекта протяжённостью не более нескольких световых месяцев.

Рис. 7.2. Активные ядра галактик (AGN): слева наблюдаемые, а справа – в модельном представлении. Предполагается, что активные ядра могут быть мощными источниками частиц, генерируемыми в релятивистских струях-джетах. Источником энергии является поглощение вещества чёрной дырой, расположенной в центре АGN, из аккреционного диска

    В течение продолжительного времени считалось, что звезды – основной источник излучения галактик. В них происходят реакции термоядерного синтеза, и они излучают энергию нагретого газа. Напротив, в Активных ядрах излучение – нетепловое, оно в основном принадлежит к радио- и гамма- диапазонам спектра электромагнитного излучения. Активные галактические ядра можно наблюдать в телескопы, в отличие от обычных галактик, они находятся на расстояниях в миллиарды световых лет. Современное объяснение этого астрофизического феномена состоит в том, что ядра содержат супермассивные чёрные дыры, в 10⁹ масс Солнца, в их активной стадии. Они окружены слоем вещества – аккреционным диском (рис. 7.2). Продолжительность жизни активных ядер невелика, они умирают приблизительно в течение 100 миллионов лет – чёрная дыра “поглощает” всё окружающее её вещество, создавая вокруг себя пустоту.
    Наиболее развитые теории предполагают генерацию гамма-квантов на ударных волнах в релятивистских струях (джетах), распространяющихся наружу. Энергия эмиссии черпается из высвобождающейся гравитационной энергии падающего аккреционного вещества на чёрную дыру.
   Огромная светимость ядер активных галактик также объясняется аккрецией вещества. Большое разнообразие Активных ядер во Вселенной, можно объяснить разнообразием ориентацией джетов относительно наблюдателя на Земле. В блазарах, например, ось джета направлена на нас.
    Из анализа наблюдений следует, что радиоисточники образуются в результате выделения энергии в ядре галактики, но не в результате взрыва, а более длительного непрерывного процесса – выбросов струй плазмы с релятивистскими скоростями в двух противоположных направлениях. Возможно, что такая картина обусловлена дипольным характером магнитного поля самого ядра галактики, из магнитных полюсов которого и вытекают джеты. Наблюдаемая повышенная яркость внешних краёв структуры связана, вероятно, с существованием плазменных облаков на периферии объекта, которые вращаются вокруг ядра и подвергаются внешнему давлению межгалактического газа. Такая “торообразная” структура радиогалактик наблюдается для Лебедя А – самого мощного внегалактического источника радиоизлучения в созвездии Лебедя.
    Полагают, что максимальная энергия частиц ускоряемых в Активных ядрах - , где Е_Н – энергия центрального источника. Но для протонов и других частиц мы вновь сталкиваемая с проблемой ограничения энергии частиц из-за потерь. В данном случае сильные радиационные поля вокруг Активного ядра могут служить препятствием для роста энергии.
        Ещё один астрофизический объект на роль кандидата космических лучей ультравысоких энергий – “горячие пятна” радиогалактик (“hot spots”).
    С точки зрения возможности ускорения частиц представляется очень интересным наблюдательный в радиоастрономии факт обрезания частотного спектра радиоволн в районе ~3^.10¹⁴ Гц у многих компактных источников – радиоквазаров, джетов и горячих спотов. Такое ограничение в спектре радиоволн можно интерпретировать как результат синхротронных потерь в магнитном поле релятивистских электронов в окрестности ударных волн, которые частицы пересекают в разных направлениях.
    По синхротронному обрезанию можно оценить энергию и протонов, которая оказывается близкой к 1 ЗэВ! Разные по мощности радиогалактики ускоряют протоны до различных энергий. Свечение наиболее мощных радиогалактик соответствует энерговыделению ~3^.10⁴⁷ эрг/сек, что приводит к максимальной энергии ускоряемых протонов даже больше, чем 1 ЗэВ.
    Как эффективные ускорители частиц “горячие пятна” радиогалактик впервые были предложены в 1964 г. В. Гинзбургом и С. Сыроватским, причём ближняя радиогалактика М87 - Вирго рассматривалась в качестве основного кандидата. Галактика М87 действительно достаточно близкая (15-25 Мпк) к нам и достаточно мощная, чтобы объяснить происхождение частиц вплоть до ультрарелятивистских энергий. Но проблема в том, что надо одновременно объяснить и изотропию потоков. Изотропию может создать множество галактик, разбросанных во Вселенной. Однако М87 остаётся единственной достаточно мощной радиогалактикой на близких расстояниях. Других, таких же мощных и более близких, не обнаружено. Например, Галактика Cen A хотя и ближе к нам, но слабее М87, а NGC315 – слишком далека.
    Таким образом, основной вывод, следующий из диаграммы Хилласа, состоит в том, что во Вселенной не видно яркого кандидата на роль ускорителя частиц до энергий 10²⁰-10²¹ эВ.
    Существует и другая сложность в проблеме поиска источников космических лучей ультравысоких энергий, резко ограничивающая пространственную область поиска.
    Но, прежде чем перейти к его сути, рассмотрим вновь … Большой взрыв.

7.2. Реликтовоe излучениe и “конец” спектра космических лучей

    Cовременная космологическая, так называемая стандартная модель (см. рис.1.1), определяет начало эволюции с момента , когда размер Вселенной был всего 10^-33 см (планковская длина), температура - 10³²К (планковская температура), а характерные энергии частиц – 10²⁸ эВ (планковская энергия). В этот момент все частицы имели скорости, близкие к скорости света. Затем Вселенная начала расширяться. Доказательством расширения Вселенной является красное смещение спектров излучений галактик, обнаруживаемое по эффекту Допплера. Помимо “красного смещения” существуют и другие факты, свидетельствующие в пользу гипотезы о Большом взрыве.
    В 1946 г. Г. Гамов и Р. Алфер, и в 1948 г. Р. Герман предсказали, что одним из следствий Большого взрыва должен быть остаточный радиошум с температурой ~5К. Появление этого излучения относится к концу радиационной фазы развития Вселенной, когда излучение и материя находились в термодинамическом равновесии. Эта фаза привела к объединению нуклонов и электронов в атомы водорода. Электроны всё в большей степени оказывались связанными в атомы и “подвижность” фотонов увеличивалась – начался процесс отделения излучения от материи. Можно показать, что распределение потоков фотонов в этот период времени действительно должно соответствовать температуре абсолютно чёрного тела. Затем наступила фаза материи, продолжающаяся до настоящего времени.
    После образования атомов вещество становится прозрачным для света – фотонов, и они начинают своё блуждание по Вселенной, продолжающееся до сегодняшнего дня. Но этот свет претерпевает существенные изменения. Расширение Вселенной сопровождается смещением цветов спектра в сторону красного. Это смещение называется красным и связано с эффектом Допплера – увеличением длины волны света при удалении источника. Как результат – излучение фотонов становится микроволновым, невидимым для глаза. Но оно может быть зарегистрировано с помощью радиотелескопов. Это удалось сделать сотрудникам фирмы “Bell“ из США В. Пензиасу и К. Вильсону в 1961 г.

Рис. 7.3. Cпектры энергии фонового рентгеновского- и гамма-излучения (тёмные значки), а также ядерной компоненты космических лучей (светлые значки). В области длин волн от =102 см до 10-2 см отчётливо виден пик реликтового микроволнового излучения. Фоновое гамма-излучение на верхнем краю спектра – продукт распада пионов, возникающих при взаимодействии электронов и ядер космических лучей с межзвёздной средой. Спектр ядер космических лучей приводится для сравнения. Он демонстрирует верхний предел – максимально возможные потоки гамма-квантов в этом диапазоне энергий (или длин волн).

    Впоследствии начались поиски этого радиоизлучения: на воздушных шарах, на высотах 30-40 км и выше на спутниках. Трудность измерений заключалась в нежелательных эффектах атмосферы – взаимодействиями излучения с молекулами газа, а также температурных колебаний. В 1989 г. был запущен спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer) специально для исследований космического фонового излучения. Излучение со спектром, полностью совпадающим со спектром излучения при температуре 2.7К, действительно обнаружили. Это – изотропное коротковолновое излучение в диапазоне длин волн () от миллиметров до сантиметров с максимумом на = 0.1 см (рис.7.3). Его открытие сыграло решающую роль в подтверждении модели горячей Вселенной, изотропии её расширения и однородности. Авторы открытия, В. Пензиас и К. Вильсон, в 1976 г получили за него Нобелевскую премию.
    Средняя энергия фотонов этого излучения очень мала – в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света. Поток реликтового излучения велик: его плотность около 400 фотонов/см³ или 10⁹ фотонов на каждый атом во Вселенной.
    Так было обнаружено остаточное, после Большого взрыва, излучение Вселенной – продукта горячей Вселенной на её ранней фазе развития. Отсюда его другое название – реликтовое.
    В 1966 г. К. Грейзен, Г. Зацепин и В. Кузьмин, рассматривая процесс взаимодействия космических лучей с этим излучением, приходят к выводу о существовании “обрезания” потока частиц при ультравысоких энергиях. Этот эффект получил название “GZK- механизма”, по первым буквам фамилий авторов. Его суть вкратце сводится к следующему.
    Взаимодействие протонов космических лучей с реликтовым излучением приводит к появлению новых частиц, например, -мезонов, электрон-позитронных пар и др.:

р + _2.7KN + .

Подобный процесс дезинтеграции должен наблюдаться и для тяжёлых ядер: их взаимодействие с реликтовым излучением приводит к расщеплению ядер:

A + _2.7K (A-1) + n.

    В результате энергия протонов (ядер) быстро уменьшается до величины, ниже которой рождение новых частиц уже становится невозможным. Оценки, сделанные К. Грейзеном, В. Кузьминым и Г. Зацепиным, дают значение E_max5^.10¹⁹ эВ для максимальной энергии протонов (это значение отмечено стрелкой на рис. 6.7) и расстояния d_max > 50 Мпк, за пределами которого не могут находиться источники этих частиц. Подобные оценки, проведённые Ф. Стекером и П. Соломоном в 1999 г. для ядер, дают значение E_max10²⁰ эВ и d_max > 100 Мпк.
    Область размером в 50-100 Мпк – это очень малая часть всей Вселенной. И это значит, что частицы с энергией, превышающей GZK-предел, могут прилететь только из ближайших (< 100 Мпк) ее областей. Если, скажем, рассмотреть частицу с энергией 10²⁴ эВ, стартовавшую где-то на расстоянии 200 Мпк, то, пролетев это расстояние, её энергия не может быть выше 10²⁰ эВ.
    50 Мпк - это расстояние, которое свет проходит за 150 миллионов лет. Другими словами, эта цифра – максимальное время жизни частицы, путешествующей со скоростью света во Вселенной, вне зависимости от того, как велика была её первоначальная энергия.
   В этом и заключается огромная трудность современной астрофизики космических лучей: мы не только не видим на небе явных кандидатов – астрофизических объектов, способных ускорить частицы до энергий более 10²⁰ эВ, но и вынуждены резко ограничить диапазон их поисков ближней к нам областью пространства внутри 50-100 Мпк. А это, очевидно, снижает шансы их обнаружить.
    Где здесь выход?
    Столкнувшись с трудностями, астрофизики решили подойти к решению проблемы с другой стороны.

7.3. Сверху – вниз, или вперед к экзотике

    Если рассмотренный выше процесс поиска источников на основе измерений параметров частиц на Земле можно определить как снизу-вверх (“bottom up”), то подход к решению проблемы, описанный ниже, является полной противоположностью первому: сверху-вниз (“top-down”). Это означает: да, учёные признают, что ультрарелятивистских частиц от Зэватронов, находящихся на недалёких расстояниях, нет. Однако есть совсем другие частицы, ещё необнаруженные, которые и создают регистрируемый на Земле поток частиц при энергиях >10²⁰ эВ. Что это за частицы?
    Основная идея здесь заключается в том, что частицы ультравысоких энергий могут быть продуктом распада ещё более энергичных частиц, возможно, абсолютно другой природы. Существует большое число предложений, как объяснить происхождение ультрарелятивистских частиц космических лучей. Большей частью они основаны на стандартной модели эволюции Вселенной, описание которой до первой микросекунды (10^-6 сек) её развития мы привели выше. Итак, эти предложения заключаются в следующем.
    Прежде всего, вернёмся к проблеме эволюции Вселенной (см.рис.1.3).
    До планковского момента времени в супермалой Вселенной существовал “квантовый хаос”: было разрушено понимание пространства – времени, не было вектора времени, определяющего прошлое и будущее. Эта была эпоха суперсимметрии или эпоха Великого объединения – объединения всех четырёх фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного, в одно – универсальное. Дальнейшее расширение Вселенной связано с её остыванием.
    На 10^-36 сек после Большого взрыва наступил конец Великого объединения – в этот момент отделяется сильное взаимодействие. Это соответствует характерной энергии Е = 10²⁴ эВ и расстоянию 10^-29 см. Это – весьма знаменательный момент времени в жизни Вселенной: помимо конца объединения фундаментальных взаимодействий, до этого момента в составе Вселенной существовали все мыслимые фундаментальные частицы.
    Причём эти частицы оказываются объединёнными в суперполя, внутри которых находятся пары частиц, отличающихся спином. Это – так называемые SUSY – суперсимметричные партнёры. Их довольно много(см. табл.7.1). Суперполя находятся в суперпространстве, ограниченном размером 10^-29 см. Основные SUSY – партнёры приведены в таблице.

Таблица 7.1. Частицы и их партнеры

    Сейчас суперсимметричные частицы пытаются найти на ускорителях. Согласно первому из возможных сценариев частицы рождаются парами и в конце концов должны распадаться с образованием стабильной частицы (LSP) – X-частицы. Пока не удалось найти суперсимметричные частицы. Но в экспериментах на ускорителе в CERN получили ограничения по массе LSP-частиц: >18.4 ГэВ.
    Вернёмся вновь к процессу расширения Вселенной. Итак, на 10^-36 сек произошёл конец Великого объединения и вместе с ним исчезла суперсимметрия частиц, описанная выше. Х- и Y-бозоны покидают состояние термодинамического равновесия и приобретают массы. Остальные частицы пока ещё имеют нулевую массу. Это продолжается до 10^-10 сек, когда происходит разделение электромагнитного и слабого взаимодействий.
   В этот период кварки, лептоны и промежуточные бозоны приобретают массы. Энергии частиц достигают 100 ГэВ = 10¹¹ эВ к 10^-6 сек (при энергии 300 ГэВ = 3^.10¹¹ эВ). Последующее охлаждение Вселенной приводит к формированию новых частиц – адронов из кварков и скварков. После наступает адронная эра – происходит аннигиляция кварков и скварков, а излишек кварков порождает всю наблюдаемую ныне барионную материю.
    Такова вкратце история Вселенной лишь до 10^-6 сек с момента Большого взрыва согласно Стандартной космологической модели. Как и любая теоретическая модель, она нуждается в экспериментальных подтверждениях. А до момента наступления полной адекватности модельных и экспериментальных выводов она может изменяться. Но на сегодня, Стандартная космологическая модель – основа многих направлений в астрофизике, астрономии, физике элементарных частиц.
    Теперь вернёмся к проблеме космических лучей ультравысоких энергий. Именно история Большого взрыва на его первоначальной фазе развития позволяет ввести в рассмотрение новые нестабильные супермассивные Х-частицы. Продуктом распада этих Х-частиц, среди прочих, являются в основном лептоны и кварки, а также энергичные фотоны и лёгких лептоны с малой долей протонов, а также нейтрино, часть из которых, собственно, и составляет космические лучи ультравысоких энергий.
    Такой распад должен был произойти сравнительно недавно – не позже 150-300 миллионов лет назад, т.к. его продукты также должны подвергаться воздействию реликтового излучения. Масса Х-частиц должна значительно превышать наблюдаемые энергии, т.е. >10²⁰ эВ.
    Как мы видели выше, такая гипотеза хорошо соответствует теории Великого объединения, предусматривающей существование таких тяжёлых частиц в диапазоне 10²⁴-10²⁵ эВ. И, наконец, отношение объёмной плотности этих частиц по среднему времени распада должно соответствовать наблюдаемому потоку космических лучей.
    Другой вариант механизма образования Х-частиц может быть связан с супермассивными частицами (превышающими массу протонов и нейтронов в тысячу раз) – основного компонента тёмной материи. Эти частицы, будучи незаряженными, путешествуют по прямым линиям, не отклоняясь в электрических и магнитных полях Вселенной. На них воздействует только гравитационные поля. Считается, что гало Галактики большей частью состоит из тёмной материи. Таким образом, представляется вероятным, что “экзотические” частицы, из которых состоит тёмная материя – реальный кандидат на близлежащий Зэватрон, расположенный в нашей Галактике. Как отмечалось выше, в теории суперсимметрии ожидается существование многих частиц – основы тёмной материи. В некоторых моделях суперсимметрии постулируется, что это – нейтральные частицы, имеющие массу покоя от нескольких до нескольких ГэВ десятков ГэВ с большим временем жизни.
    Существуют два вида тёмной материи: горячая и холодная. Горячая тёмная материя состоит из релятивистских частиц – нейтрино, например, с массой 10 эВ. В отличие от горячей, холодная тёмная материя состоит из тяжёлых нерелятивистских частиц с массами не менее ГэВ. Эта часть материи на ранней фазе развития могла служить “зародышем” для образования вещества.
    Кандидатов на роль частиц, из которых состоит холодная тёмная материя, довольно много. Эти частицы должна быть слабовзаимодействующими со средой, иначе бы они не дожили бы до более поздних фаз развития Вселенной. Такие слабовзаимодействующие частицы получили название WIMP-частиц (Weakly Interecting Massive Particle). Следует отметить, что теоретики дают оценку вероятности взаимодействия этих частиц с веществом на много порядков меньше самой, пожалуй слабовзаимодействующей из открытых на сегодня частиц – нейтрино (в главе 11 об этих частицах будет рассказано более подробно) .
    К WIMP- частицам могут относиться массивные стабильные нейтрино. Теоретические оценки показывают, что с космологической точки зрения приемлемы только нейтрино с массой менее 100 эВ и с энергией от нескольких ГэВ до нескольких ТэВ.
    В настоящее время разрабатываются смешанные модели тёмной материи, в которых 30% приходится на горячую и 70% на холодную её часть. Будучи незаряжёнными, WIMP-частицы не отклоняются магнитным полем, поэтому, измеряя анизотропию их прихода, можно попытаться определить направления на потенциальные источники.
    Ещё механизм рождения Х-частиц связан с так называемыми топологическими дефектами, которые собственно, и генерируют эти частицы. Здесь топологические дефекты – коллапс – переход от симметричной фазы Великого объединения к разрушающей, на ранней стадии её развития (т.е. на 10^-36 сек). Такая модель согласуется с принятой сейчас моделью расширяющейся Вселенной.
    В момент нарушения симметрии могут рождаться космологические реликты. Среди них - монополи.
    Современные теории позволяют оценить массу монополей. Монополи очень тяжёлые образования, их масса может достигать 10¹⁷ ГэВ = 10²³ эВ (это – масса бактерии!). Ранняя Вселенная – единственное место, где могли бы появиться эти гипотетические частицы.
    В расширяющейся Вселенной происходит уменьшение плотности монополей, но затем, в постинфляционный период развития Вселенной, их количество вновь может увеличиться.
    На фазе доминирования вещества во Вселенной монополи могут принять участие в формировании крупномасштабных астрофизических объектов. Однако их практически не должно быть в галактических дисках. В большей степени они могут присутствовать в Гало и в скоплениях галактик.
    Не очень всё ясно с временем их жизни. Если монополи распадаются, они производят большое количество нейтрино и фотонов с характерной энергией 10²⁴ эВ и малая доля переходит в протоны.
    Такие вторичные протоны могут появляться на разных расстояниях от нашей Солнечной системы. Если эта гипотеза верна, космические лучи ультравысоких энергий – это распадающиеся космологические реликты, формирующие каскад фотонов и нейтрино, фон которых и наблюдается. Если время их жизни сопоставимо со временем жизни Вселенной, то они могут распадаться где угодно, и этим может объясняться изотропность потоков космических лучей.
    Согласно теории, в первые минуты образования Вселенной появилось большое количество и других реликтовых частиц – нейтрино, которые так же, как и реликтовое микроволновое излучение, должны странствовать в межзвёздном пространстве. Согласно этой гипотезе, мы живём в “нейтринном море”.
    Оказывает ли это море влияние на нас? Мы этого пока не знаем. Можем ли мы зарегистрировать реликтовые нейтрино? Вероятно, – да. Но об этом далее.
   Реликтовое излучение – это, пожалуй, самое главное свидетельство эволюции Вселенной – оно появилось, когда прошло менее одной тысячной доли жизни Вселенной!
   Какие предполагаемые источники нейтрино ультравысоких энергий рассматриваются сейчас?
    Один источник уже был упомянут выше: это топологические дефекты. Современные модели предсказывают, что поток массивных нейтрино, возникающий при топологических дефектах и имеющий энергии более 10²⁰ эВ, достаточен для регистрации на установках с площадью, скажем, более 100000 км² (это больше, чем площадь установки “Pierre Auger”).
    В связи с нейтрино ультравысоких энергий изучается также процесс аннигиляции
    массивных нейтрино с фоновым потоком реликтовых нейтрино – так называемые “Z-вспышки” – “Z-bursts”). Уровень фона потока реликтовых нейтрино предсказывается космологическими моделями Большого взрыва и Стандартной моделью элементарных частиц. Скорость аннигиляции должна резко возрасти в насыщенной веществом среде кластеров галактик. Сделанные оценки показывают, что плотность нейтрино в “мишени”, в кластере галактик, достаточна для эффективного взаимодействия нейтрино в этой мишени и генерации вторичных частиц. Однако, для реализации этого процесса требуются очень высокоэнергичные нейтрино (E > 10²² эВ), возможно за пределами стандартной модели и, кроме этого, наличие у реликтовых нейтрино значительной массы.

Рис. 7.4. Один из возможных механизмов образования космических лучей ультравысоких энергий при взаимодействии Зэв’ных нейтрино с реликтовыми нейтрино в окрестностях кластера галактик. Virgo (модель Z – вспышки)

    Если это взаимодействие происходит на расстояниях ближе, чем 50-100 Мпк, то вновь образованные вторичные фотоны и нуклоны с энергией выше GZK-предела могут попасть в атмосферу Земли и вызвать ливень частиц, который может быть зарегистрирован наземными установками (рис.7.4). Расчёты показывают, что поток вторичных частиц при осуществлении такого процесса может быть достаточным для надежной регистрации будущими установками космических лучей.
    Активные галактические ядра – наиболее мощные из известных постоянных эмиттеров энергии во Вселенной могут быть источниками и нейтрино ультравысоких энергий. Так, согласно модельным представлениям, квазары действительно могут излучать нейтрино с энергией более 4^.10¹⁹ эВ.

7.4. Новая астрономия?

    И WIMР-частицы, и монополи, и нейтрино можно попытаться использовать для определения направления на источники.
    Проблема определения направления прихода частиц чрезвычайна интересна. Ведь в случае успеха, т.е. надёжного определения места, откуда могли бы прийти частицы, можно попытаться найти астрофизический объект – генератор этих частиц. Пока нет достаточно надёжных экспериментальных данных по идентификации источников. Однако…

    Взгляните на карту галактического неба (рис 7.5). На ней изображены все случаи регистрации космических лучей с энергией >5^.10¹⁹ эВ. Из них – 6 дуплетов и 1 триплет (две или три частицы с разными энергиями пришли из одной точки). Вероятность случайного совпадения таких событий очень мала – менее 0.1%. Окончательные выводы делать рано, но и игнорировать эти факты нельзя. Триплеты и дуплеты, а в дальнейшем – кластеры событий, могли бы свидетельствовать о существовании точечных источников, ответственных за космические лучи ультравысоких энергий.
    Масса вопросов возникнет, если такая связь будет обнаружена. Например, каков спектр космических лучей источника, насколько мощен Зэватрон, генерирующий такие энергии? Чем отличаются разные источники? Но, не менее интересно, если будут обнаружены кластеры событий, не имеющих своих астрофизических объектов на звёздном небе. В этом случае следует сделать вывод, что источником космических лучей не может быть вещество Вселенной. Тогда что же? Тёмная материя, вакуум? Пока это слишком преждевременные вопросы, но ведь мысль нельзя остановить…

Рис.7.5. На карте галактического неба показаны направления прихода частиц космических лучей с энергией между 4.1019 эв и 1020 эВ (точки) и более 1020 эВ (квадраты) по данным японской установки AGASA. Отметим, что частицы с энергией более 1020 эВ должны приходить с расстояния <50 Мпк , если это протоны, и с расстояний <100 Мпк, если это тяжёлые ионы. Среди событий – один триплет (в середине). Нет ни одного астрофизического объекта, который можно было бы идентифицировать с обнаруженными триплетом или дуплетами

Рис. 7.6. Возможности нейтринной астрономии для изучения астрофизических объектов на расстояниях ~100 Мпк значительно выше, чем с протонной. В отличие от протонов ультравысоких энергий, испытывающих искривление своих траекторий под действием межзвёздного магнитного поля, нейтрино распространяются практически по прямолинейным траекториям. Как результат – “разрешение” астрофизического объекта во втором случае будет выше.

    Несколько комментариев относительно возможности картографирования астрофизических объектов с помощью частиц ультравысоких энергий. Нельзя забывать о существовании магнитных полей в космосе. Заряженные частицы отклоняются в них. Даже для протонов с энергией 10²⁰ эВ, путешествующих с расстояний <100 Мпк, отклонения от прямой будут весьма заметны: так, при среднем межгалактическом поле В1 нГс (наногаусс, т.е. 10^-9 Гс) отклонение может достигать 2^о (рис. 7.6). Этот факт, создающий дополнительную ошибку измерения, следует учитывать при позиционировании объектов.
    Другое дело нейтрино. Если бы удалось регистрировать нейтрино ультравысоких энергий, то это существенно помогло бы поиску объектов. В этом случае можно было бы говорить о развитии нового направления в астрономии – нейтринной.
    Выше мы вкратце описали ситуацию, сложившуюся с экспериментальным и теоретическим изучением частиц ультравысоких энергий. Похоже, что “космики” столкнулись здесь с очень сложной проблемой, находящейся на стыке космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. Пока не хватает экспериментальных данных, чтобы “зацепиться” за ту или иную теоретическую модель, но, похоже, что и теоретические исследования могут выйти на новые направления.
    Однако уже теперь ясно, что в проблеме “ступни” энергетического спектра физики вплотную подошли к проблеме ранней истории Вселенной после Великого объединения. Интересно, что сама форма спектра в области GZK-обрезания несёт информацию об эволюции Вселенной миллиард лет тому назад. Поэтому нужна большая статистика событий в этой области энергий, чтобы однозначно определить вид спектра.
    Не случайно Нобелевский лауреат 2003 г. В. Гинзбург внёс проблему исследований космических лучей ультравысоких энергий в реестр важнейших задач физики и астрофизики XXI столетия.
    В каких же направлениях будут идти эксперименты по исследованию космических лучей на краю спектра?
    Вскоре установка “Pierre Auger” даст первые результаты. Это означает, что увеличится статистика данных в области энергий более 10²⁰ эВ. Напомним, что за год работы “Pierre Auger” сможет набирать до 200 событий при энергии более 5^.10¹⁹ эВ.
    Дальнейшее развитие установки “Pierre Auger” будет идти, видимо, по линии создания новой – в Северном полушарии, в США. Это позволит получить новые сведения об анизотропии космических лучей ультравысоких энергий. А это важно для решения вопроса об определении источников космических лучей. Среди обсуждаемых источников – радиогалактики, а они распределены анизотропно по отношению к супергалактической плоскости. Одна установка не может справиться с задачей определения направления на такие источники.
    Однако возникает вопрос – есть ли принципиально новые подходы к экспериментальному изучению частиц из этой области энергий для совершения качественного скачка по увеличению статистики регистрируемых событий? Сейчас мы можем ответить утвердительно. Об этом пойдет речь в следующей главе.