|
Возможное решение загадки космических лучей-мюонов
|
|
|
|
У ученых есть проблема с космическими лучами — они производят слишком много мюонов на поверхности Земли. Каскады мюонов являются побочными продуктами высокоэнергетических космических лучей, когда они сталкиваются с ядрами в верхних слоях атмосферы, и ученые видят на поверхности Земли больше мюонов, чем предсказывают стандартные физические модели.
|
|
|
|
Объяснение этого избытка мюонов было сложной задачей на протяжении нескольких лет. Но теперь группа исследователей говорит, что они могут объяснить этот избыток, используя "глюонную конденсацию" в первом каскадном столкновении. Их работа была опубликована в Astrophysical Journal.
|
|
|
|
Каждую секунду миллионы космических лучей высокой энергии, движущихся почти со скоростью света, бомбардируют верхние слои атмосферы Земли, где они сталкиваются с атомными ядрами, в первую очередь с азотом, кислородом и аргоном. Ядра взрываются, образуя поток частиц, в основном пионов, каонов и барионов. Затем они распадаются в основном на мюоны, более тяжелую копию электрона. (Около 90% мюонов образуются в результате распада пионов и каонов.)
|
|
|
|
Эти мюоны испытывают лишь небольшую потерю энергии при прохождении через атмосферу, пока не достигнут поверхности. (Их способность достигать поверхности, несмотря на то, что время их жизни, по-видимому, слишком мало для этого, триумфально объясняется специальной теорией относительности.) Примерно один мюон на квадратный сантиметр достигает поверхности Земли в минуту со средней энергией 4 ГэВ, но с очень широким энергетическим спектром.
|
|
|
|
|
|
|
Тем не менее, по сравнению с результатами стандартных физических моделей, полученных в результате экспериментов на ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер и суперпротонный синхротрон в ЦЕРНе, на поверхности наблюдается слишком много мюонов. При энергиях мюонов от 6 до 16 экзаэлектронвольт (от 1,0 до 2,5 джоулей!) поток мюонов на 30-60% выше ожидаемого.
|
|
|
|
"Хотя исследования загадки мюонов становятся все более подробными, - пишут Биньян Лю и его коллеги из Восточно-Китайского педагогического университета, - истина остается неуловимой, что требует дальнейших исследований".
|
|
|
|
Решая проблему избыточности, команда ученых написала, что они "склонны полагать", что основное различие между экспериментами и теорией заключается в первоначальном столкновении при атмосферных ливнях — когда высокоэнергетическая частица космического луча впервые взаимодействует с ядром в атмосфере. (Эти входящие космические лучи могут обладать энергией, равной энергии частицы "О, боже мой", наблюдавшейся в 1991 году, которая имела энергию 320 экза-эВ. Это в 25 миллионов раз превышает максимальную энергию ускорителя, созданного на Земле, - 13 ТэВ в ЦЕРНе.)
|
|
|
|
Двадцать пять лет назад было высказано предположение, что при столкновениях сверхвысоких энергий, когда прилетающие частицы космических лучей (в первую очередь протоны и ядра гелия) сталкиваются с адронами в ядрах атмосферы, распределение глюонов в адронах может подвергаться конденсации, образуя глюонный конденсат. Образование этих глюонных конденсатов затем повлияло бы на образование адронов, что, в свою очередь, повлияло бы на конечное образование мюонов.
|
|
|
|
Адроны — это частицы, состоящие из двух или более кварков. Примерами могут служить протон и нейтрон, каждый из которых состоит из трех кварков, а также пионы и каоны, состоящие из двух кварков. Точно так же, как молекулы состоят из атомов, удерживаемых вместе электрическим взаимодействием, адроны состоят из кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием.
|
|
|
|
Фотон переносит электрическое взаимодействие между электрически заряженными электронами и протонами в атомах и молекулах и описывается теорией квантовой электродинамики (КЭД); глюоны переносят сильное взаимодействие между кварками и описываются квантовой хромодинамикой (КХД).
|
|
|
|
Разница в том, что, в то время как фотоны не имеют электрического заряда, глюоны заряжены — заряжены цветами сильного взаимодействия. (Кварки, конечно, также несут один из трех типов цветового заряда). Эта "нелинейность" делает состояния, управляемые сильным взаимодействием, гораздо более сложными, чем атомы и молекулы. Даже с учетом квантовой теории поля КХД, состояния сильного взаимодействия очень трудно анализировать, моделировать и вычислять.
|
|
|
|
Мы знаем, что ускоренные электрические заряды испускают КЭД-излучение (фотоны), и они будут способствовать возникновению адронных каскадов в результате первоначального столкновения космических лучей. Точно так же ускоренные цветные кварки (и сами глюоны) испускают КХД-излучение (глюоны). Однако, в отличие от незаряженных фотонов, глюоны обладают собственным зарядом и поэтому испускают дополнительное излучение, что приводит к гораздо большему потоку частиц.
|
|
|
|
Распределение глюонов в адронах может приводить к образованию "глюонных конденсатов". Такие высокоэнергетические состояния состоят из большого количества глюонов на определенном энергетическом уровне, которые могут генерировать ряд кварков, составляющих адроны, что делает адронные каскады более эффективными и увеличивает количество пионов и странных кварков, из которых состоят каоны.
|
|
|
|
В системе отсчета, ориентированной на центр масс каскадов, почти вся доступная энергия столкновения используется для образования этих пионов и каонов, а затем для образования конечного мюона, который устремляется к поверхности.
|
|
|
|
Исследователи использовали модель глюонной конденсации, описанную КХД, для анализа начального столкновения каскадов в попытке решить проблему избытка мюонов.
|
|
|
|
Они обнаружили, что временная кварк-глюонная плазма может образовываться при высоких энергиях столкновений глюонов; в частности, их теоретический анализ показал, что появление кварк–глюонной плазмы приводит к увеличению числа странных кварков и антистранных кварков.
|
|
|
|
"Для образования глюонного конденсата требуется более высокая энергия столкновения, - писали они, - и мы обнаруживаем, что это приводит к образованию более странных кварков (антикварков), чем в условиях кварк-глюонной плазмы".
|
|
|
|
После сложных расчетов команда обнаружила, что образование странных кварковых пар было в два—10 раз больше — в зависимости от энергии - когда они начинались с состояния глюонного конденсата, чем если бы они начинались с состояния кварк-глюонной плазмы.
|
|
|
|
В заключение они пишут: "Существующие исследования показывают, что в экспериментах с высокоэнергетическими столкновениями может возникать QGP [кварк-глюонная плазма], но рассмотрение только обычного эффекта QGP не может решить проблему избытка мюонов в воздушном потоке. Мы считаем, что GC [глюонный конденсат] может возникать при столкновениях с чрезвычайно высокой энергией.
|
|
|
|
"В GC-состоянии производство странных кварков будет значительно усилено", что приведет к появлению большего количества мюонов на поверхности Земли, чем это было бы в противном случае без глюонных конденсатов.
|
|
|
|
Источник
|
