|
Пролили свет на природу космических ливней
|
|
|
|
Каждую секунду через ваше тело со скоростью, близкой к скорости света, проносятся частицы. Они обрушиваются на вас из грозовых туч высоко в небе, где космические лучи — мощный поток межзвёздного вещества — постоянно сталкиваются с атомами в атмосфере Земли. В результате столкновений атомы распадаются на частицы, которые обрушиваются на землю в виде ливня.
|
|
|
|
Учёные изучают эти космические ливни уже более ста лет, но до сих пор не до конца понимают, как они возникают. Многие исследователи пытаются разобраться в этом вопросе, и для этого им даже не нужно смотреть на небо. Вместо этого они могут использовать коллайдер частиц — Большой адронный коллайдер ЦЕРН в Швейцарии.
|
|
|
|
Вместе с группой физиков, изучающих элементарные частицы, я исследую природу этих космических ливней. Мы использовали первые в мире лабораторные столкновения атомов кислорода с протонами, чтобы смоделировать космические лучи в лабораторных условиях. Результаты нашего исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
Что такое космические лучи?
|
|
|
|
В начале XX века физик Виктор Гесс открыл космические лучи, поднимаясь на воздушном шаре. Когда он поднялся на несколько километров, его приборы зафиксировали неожиданный рост уровня радиации. Он пришел к выводу, что эти лучи должны исходить из космоса, и за это открытие в 1936 году получил Нобелевскую премию по физике.
|
|
|
|
|
|
|
На этом сюрпризы не закончились. В ходе дальнейших экспериментов было установлено, что это космическое излучение содержит новые виды материи, называемые антиматерией. К ним относятся мюоны, пионы и каоны. Эти частицы похожи на электроны, протоны и нейтроны внутри атомов, но они нестабильны, и их сложнее обнаружить. Эти «кирпичики» материи помогли дополнить современную теорию физики элементарных частиц.
|
|
|
|
Сегодня ученые считают, что космические лучи — это быстро движущиеся ядра, то есть тяжелые частицы в центре атомов, в основном из водорода. Но некоторые вопросы остаются открытыми. Откуда они берутся?
|
|
|
|
Как они достигают таких высоких энергий?
|
|
|
|
Ученые находят все больше свидетельств того, что космические лучи исходят из чрезвычайно горячих и удаленных областей Вселенной, выбрасываются взрывающимися звездами и мощными объектами, которые называют сверхмассивными черными дырами.
|
|
|
|
Космические лучи полезны и в других областях. В 1950-х годах ученые обнаружили, что их можно использовать для радиоуглеродного датирования древних артефактов, что произвело революцию в археологии. Совсем недавно космические лучи помогли геологам обнаружить скрытые полости в действующих вулканах, а археологи с их помощью нашли тайные гробницы в древнеегипетских пирамидах. Этот метод визуализации основан на измерении того, как горные породы отклоняют космические частицы, летящие в направлении этих объектов.
|
|
|
|
Обычно для изучения космических ливней размещают сотни специализированных камер на территории в несколько километров. Вместе эти камеры работают как один большой телескоп. Один из крупнейших таких телескопов — проект Telescope Array, расположенный в высокогорной пустыне в штате Юта. Этот эксперимент позволяет регистрировать частицы из космоса с самой высокой энергией.
|
|
|
|
Чтобы расшифровать информацию о космической материи, бомбардирующей Землю, ученые используют компьютеры для моделирования потоков частиц в воздухе. Но есть одна давняя проблема: разные компьютерные модели по-разному предсказывают формирование ливней частиц в небе.
|
|
|
|
Ученым нужно понять, какая из моделей — если вообще какая-то из них — описывает реальные столкновения частиц в небе. Чтобы это выяснить, им нужны данные. Ни один из предыдущих экспериментов не позволял детально изучить процесс зарождения этих ливней частиц, поэтому в течение нескольких лет я сотрудничал с физиком Лидией Бересфорд, чтобы обосновать необходимость перенастройки существующих инструментов на коллайдере частиц в ЦЕРН для изучения космических лучей.
|
|
|
|
1 июля 2025 года ученые ЦЕРНА впервые провели этот эксперимент. Они впервые заставили атомы кислорода сталкиваться с протонами, используя Большой адронный коллайдер, самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц. В течение нескольких дней они воссоздавали космические ливни в лаборатории.
|
|
|
|
В этом новом эксперименте в качестве космического луча выступал протонный пучок, в то время как кислородный пучок играл роль атмосферы Земли. Энергия при каждом столкновении преобразуется в брызги частиц, воссоздающие первые моменты космического ливня.
|
|
|
|
На Большом адронном коллайдере несколько камер для съемки частиц фотографируют столкновения. Одна из таких камер, над которой я работаю, называется ATLAS experiment. Этот гигантский прибор, над управлением которым работают тысячи ученых, размером с футбольное поле.
|
|
|
|
Высокоскоростная камера, расположенная в центре ATLAS, может делать более 200 миллионов снимков в день. В нем используется большой набор кремниевых сенсоров для создания портретов частиц крупным планом, аналогичных датчикам в камере вашего телефона.
|
|
|
|
Первые фотографии космических ливней крупным планом
|
|
|
|
Вместе с небольшой командой физиков мы проанализировали эти изображения и использовали их для измерения количества частиц, возникших в результате столкновений, и энергий, с которыми они разлетелись в результате столкновений. Мы смогли измерить свойства этих частиц с точностью, более чем в 10 раз превышающей предсказания компьютерной модели.
|
|
|
|
Наши результаты помогут точно определить, сколько высокоэнергетических космических лучей состоит из водорода по сравнению с более тяжелыми атомами. Понимание их состава может дать важные сведения об их происхождении. Мы были рады поделиться такими ценными данными, поэтому обратились за комментариями к экспертам из коллаборации ATLAS и получили разрешение обнародовать наши результаты.
|
|
|
|
Наше исследование подтверждает связь между физикой элементарных частиц и астрофизикой высоких энергий. Обе области во многом совпадают и имеют общую историю, но они остаются отдельными областями, которым есть чему поучиться, сотрудничая друг с другом. Я и мои коллеги надеемся, что эти результаты улучшат знания ученых о космических ливнях и помогут разобраться в самых экстремальных явлениях во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
