Обратимся к некоторым из результатов, которые удалось получить благодаря симбиозу сложной экспериментальной установки, сочетающей детекторы разных типов, и современных методов обработки данных. Не касаясь ряда других интересных вопросов, многие из которых остаются открытыми (форма энергетического спектра при самых высоких энергиях, причины расхождения результатов разных установок, природа астрофизических ускорителей — источников столь энергичных частиц и т.д.), остановимся на одной из основных проблем реконструкции ШАЛ — определении типа первичной частицы. Хотя этот момент является ключевым и влияет на все остальные реконструированные параметры (ШАЛ, вызванные разными частицами, развиваются по-своему, поэтому различными оказываются энергии первичных частиц, реконструированные в тех или иных предположениях об их типе; заряд частицы определяет искривление ее траектории в космических магнитных полях и тем самым влияет на поиск астрофизических источников и т.д.), ясности в данном вопросе нет. Дело в том, что ШАЛ, вызванные фотонами, протонами или более тяжелыми ядрами, развиваются все же весьма похожим образом, и требуются специальные наблюдаемые величины, позволяющие их различить. Наилучшая из таких наблюдаемых — доля мюонов среди всех частиц ШАЛ.

До недавнего времени вопрос о так называемом химическом составе космических частиц сверхвысоких энергий решался лишь в среднем — говорилось об определенной доле тяжелых или легких ядер, но ничего нельзя было сказать о первичной частице отдельно взятого ливня. Новые методы анализа, примененные для обработки якутских данных, позволяют дать вероятностную характеристику типа первичной частицы для каждого события. Для этой цели каждое зарегистрированное событие сравнивается с несколькими сотнями модельных, имеющих то же направление прихода, что и реальное, но разные энергии первичной частицы. Для каждого модельного события восстанавливаются (точно тем же способом, что и для реального, с учетом смоделированного отклика детектора) сигналы сцинтилляционных и мюонных детекторов. Из них отбираются те, у которых сигнал на сцинтилляторах совпадает с наблюдаемым в пределах ошибок, а затем распределение мюонных сигналов отобранных событий сравнивается с реальным мюонным сигналом. Процедура может повторяться для наборов модельных событий, вызванных разными первичными частицами, в зависимости от задачи.

Насколько различаются ШАЛ, вызванные первичными протонами и тяжелыми ядрами, зависит от модели развития ливня. Тем не менее простое требование отсутствия ядер легче водорода и тяжелее железа (более тяжелые ядра не встречаются в космосе) приводит к резкому сужению круга допустимых моделей и к выводу о том, что среди первичных частиц ШАЛ самых высоких энергий присутствуют приблизительно в равной пропорции как легкие, так и тяжелые ядра . Этот результат важен для поиска источников космических лучей и изучения астрофизических ускорителей.

В то же время исключить первичные фотоны модельнонезависимым образом с высоким уровнем достоверности оказывается возможным — часто даже для отдельно взятого события. Необходимым условием этого служит одновременное детектирование электромагнитной (фотонов и активно рождаемых ими электронов и позитронов) и мюонной компонент ШАЛ: полный сигнал определяет энергию первичной частицы, а распределение его между компонентами зависит от ее типа. На настоящий момент из всех экспериментальных установок для регистрации ШАЛ, вызванных первичными частицами с энергиями выше 1018 эВ, такая возможность реализована только в Якутске. Пока ни один первичный фотон с подобной энергией не был обнаружен, и разные эксперименты лишь ставят ограничения на возможный поток фотонов сверхвысоких энергий (рис.6). Хотя площадь Якутской установки почти в 100 раз меньше площади крупнейшего инструмента для регистрации ШАЛ — Обсерватории им.П.Оже (Аргентина), видно, что ограничения, полученные из якутских данных, для многих энергий являются лучшими в мире.

Поиск фотонов сверхвысоких энергий — задача весьма интересная с разных точек зрения. Прежде всего, заметная доля первичных фотонов предсказывается в самых разных сценариях, связанных с так называемой новой физикой — пока не открытыми частицами и взаимодействиями. Здесь и модели сверхтяжелых частиц темной материи, и топологические дефекты — крупномасштабные соли — тоноподобные конфигурации новых полей, и смешивание фотонов с новыми сверхлегкими частицами — аксионами или зеркальными фотонами, и даже нарушение лоренц-инвариантности. Действительно, в большинстве теоретических моделей сверхтяжелые частицы и топологические дефекты распадаются примерно одинаковым образом — вне зависимости от начального модельно — зависимого взаимодействия, конечные продукты распада представляют собой в основном пи-мезоны, причем п0, п+ и п — рождаются в примерно равной пропорции. Нейтральные пионы практически сразу же распадаются на два фотона каждый, что и приводит к тому, что примерно одна треть энергии первоначальной частицы уносится энергичными фотонами. Когда речь идет об аксионах или зеркальных фотонах, имеется в виду механизм «консервации» фотонного излучения и передачи его на расстояния, во много раз превышающие длину свободного пробега фотона во Вселенной: энергичный фотон, вместо того чтобы рассеяться на других заполняющих Вселенную фотонах, превращается в гипотетическую частицу, практически не взаимодействующую с веществом и излучением; обратное превращение в фотон может при определенных условиях произойти недалеко от наблюдателя. Таким образом, фотоны в этом сценарии «собираются» со значительно большей части Вселенной, чем обычно. Наконец, в моделях с нарушением лоренц-инвариантности модифицируются пороги и вероятности всех процессов взаимодействия частиц, в частности ГЗК-процесса, что также может привести к появлению дополнительных фотонов. Кроме того, даже для классического сценария, когда основную часть космических лучей составляют протоны и ядра, ускоренные в астрофизических источниках, количество фотонов с энергиями порядка 1018 эВ служит индикатором состава космических частиц в практически неизученной области энергий выше или порядка 1020 эВ (из-за ГЗК-эффекта протоны, распространяясь через Вселенную, рождают значительно большее количество вторичных фотонов, чем тяжелые ядра).

Не будет преувеличением сказать, что действующая в окрестности Якутска уникальная физическая установка имеет мировое значение. Более чем 35 лет работы дали ощутимые результаты: регистрацию нескольких событий с энергией космической частицы выше 1020 эВ, измерение спектра космических лучей сверхвысоких энергий, выводы о химическом составе первичных частиц. Сочетание различных методов детектирования одних и тех же ШАЛ и пионерских методов анализа данных, реализованных якутскими экспериментаторами и московскими теоретиками, позволило на относительно небольшой установке с немолодым оборудованием получить результаты мирового класса, а в ряде случаев — лучшие в мире.

Добавить комментарий