15 жовтня 1991 несподівано для фізиків усіх поколінь Всесвіт надіслала на Землю таємничого гостя – частку, що зруйнувала всі канони субатомного світу. Звідки ж вона і які загадки Всесвіту зберігає – ці та багато інших питань тепер не дають спокою вченим сучасності.
Щомиті наша планета перебуває у взаємодії з космосом. Зв’язок між планетою Земля і процесами, що протікають на рівні Всесвіту, забезпечується рухом космічних променів, які виходять при цьому. Ще Армстронг і Олдрін, ділячись враженнями після польоту, відзначали, що постійно, навіть при закритих очах, спостерігали спалахи світла – а було це не що інше, як космічні промені, що проходять крізь сітківку ока азартних ігор.
Космічні промені – це потоки елементарних частинок, в основному одиничних протонів, і більш важких атомних ядер (наприклад, заліза, вуглецю, гелію) високих енергій. Відкрито вони були ще на початку ХХ ст австро-американським фізиком Віктором Гессом, коли той, піднімаючись на повітряній кулі, виявив, що рівень іонізації повітря підвищується з висотою і причиною тому повинні бути частинки неземного походження. З того часу пройшли десятки років, вчені встигли вивчити космічні потоки частинок високих енергій з усіх боків, досліджувати, на їхню думку, все закономірності «народження» і руху цих «космічних щупалець». Так, зокрема, в 1966 році вчені Кеннет Грайзен, Георгій Зацепін і Вадим Кузьмін, займаючись питанням обчислення максимальної енергії променів, встановили, що вона не може перевищувати 60 ЕеВ (надалі цей енергетичний ліміт космічних променів отримав назву «ДЗК межа»). Обумовлюється це тим, що весь Всесвіт в період протонної епохи після Великого Вибуху наситилася реліктовим випромінюванням (його також називають фонової радіацією) внаслідок первинної рекомбінації водню, а вступаючи у взаємодію з фотонами реліктового випромінювання, частинки космічного променя, що перевищують межу ДЗК, втрачають енергію на освіту півоній (один з видів субатомних частинок), і сповільнюються. Отже, як відзначили вищезгадані фізики, частинки високих енергій можуть приходити до нас від джерела не далі за 500 мільйонів світлових років від Землі і найвищої енергією таких частинок буде 60 ЕеВ.
Однак, 15 жовтня 1991 року навіть найбільш кваліфіковані фізики прийдуть до висновку: таки не всі загадки космосу під силу розгадати людині. У цей день, а точніше буде сказати ввечері цього дня, коли сонце в штаті Юта США вже зайшло за обрій, детектор з кумедною назвою «Око Мухи» ( “Fly’s Eye” або, більш науково, – HiRes – High Resolution Fly`s Eye Cosmic Detector) зафіксував в небі ультрафіолетову спалах – це був слід суперчастіци, яка в подальшому заволодіє умами фізиків світу. Швидкість її склала +99,9999999999999999999996% швидкості світла, а енергія – 320 ЕеВ! Це був випадок знущання Всесвіту над усім людством: межа Грайзена-Зацепіна-Кузьміна був нищівно прорваний; рекорд швидкості елементарних частинок, досягнутий у Великому адронному колайдері – найпотужнішої і масштабної експериментальній установці сучасності – побитий в десятки мільйонів разів; теорія титану в області фізики Альберта Ейнштейна про швидкість світла як про максими, недосяжною для елементарної частинки, поставлена під сумнів. Побачивши показники на приладових панелях, дослідники не замислюючись охрестили феномен часткою “Oh-My-God!” (Рус. «О боже мій!», «Про мій Бог!»). Це була точка відліку нової полювання для фізиків світу – полювання на невловимого енергетичного монстра і джерело, який здійснив його на світло.
Однак, говорячи про «вилов» подібних частинок, слід згадати про існуючі при цьому проблеми: по-перше, суперчастіци з енергією понад 1ЕеВ зустрічаються вкрай рідко – вони прилітають на Землю раз на століття і бомбардують територію в межах 1 км 2 , а по- друге, наземні детектори реєструють вже не безпосередньо частку космічного променя, а вторинні частки, породжені взаємодією первинної частки з верхніми шарами атмосфери. Вторинних же частинок (а це півонії, адрони, фотони, мюони, нейтрони, електрони і протони) вже виходить мільйони замість єдиної первинної, і проливаються вони на Землю вже не потоком, а каскадом, названим в астрономії широким атмосферним зливою. Ширина такої зливи може досягати декількох кілометрів, а, отже, щоб розгадати секрети первинних частинок ультрависоких енергій, закодовані у вторинних частинках, «мисливцям» необхідно розміщувати свої «капкани» на гігантських територіях.
Одним з таких «капканів», як уже зазначалося, став детектор High Resolution Fly’s Eye, якому завдяки щасливому випадку вдалося відстежити легендарну частку. Це був перший детектор, котрий використовував принцип повітряної флуоресценції: коли космічний промінь врізається у верхні шари атмосфери, частинки вступають у взаємодію з молекулами повітря – з ядрами атомів газів; при взаємодії зарядженої частинки з ядром атома азоту, останній збуджується і переходить на більш високий енергетичний рівень; енергія збудження, що виділяється при цьому, має вигляд слабкого світіння – смуги ультрафіолетового світла, яку і фіксує детектор. Дослідивши це випромінювання, детектор може встановити енергію первинної частки і приблизну траєкторію польоту. Однак масштаби «Очі Мухи» були не настільки великими, так і отриманих даних для повного аналізу природи і походження первинної частки не вистачало.
В іншому кінці світу – в Японії, в 120 км на захід від Токіо (в м Акено), розкинулася ще одна обсерваторія для вилову космічних променів ультрависоких енергій – Akeno Giant Air Shower Array (агаси). Станції цього детектора простяглися на території в 100 км 2 і працювали за зовсім іншим принципом – принципом сцинтиляції. Полягає він у тому, що детектор фіксує частки вже не в повітрі, а в момент досягнення ними поверхні землі. З вторинних частинок до землі долітають лише електрони і мюони і, потрапляючи в прозорий сцинтилятор (пластик, рідина або кристал), вони викликають в ньому світіння – сцинтиляції, які фіксуються фотоумножителями. Зареєструвавши час досягнення вторинної субатомной часткою землі на різних станціях, можна досліджувати, звідки прийшла первинна частка.
Але, як з’ясувалося, ці два детектора прийшли до протилежних висновків стосовно існування ДЗК-межі. Якщо HiRes, згідно з отриманими даними, встановив, що первинна частка прилітає до нас з недалеких джерел, що не спростовує наявності ДЗК-межі, то AGASA навпаки зафіксував, що родовище подібних частинок ультрависоких енергій знаходиться у віддалених джерелах, більше 500 мільйонів світлових років від Землі , що перекреслює всю гіпотезу Грайзена, Зацепіна і Кузьміна. Як же дізнатися істину? Ймовірно, побудувавши третій «капкан», що працює вже на суміщених принципах.
Так, власне кажучи, і була споруджена обсерваторія Оже (на честь французького вченого П’єра Оже, що відкрив шал), в будівництві якої взяли участь 500 вчених з 19 країн світу (що наочно демонструє рівень стурбованості і зацікавленості фізиків в питанні “розслідування справи” частки « Oh-My-God »). Цей детектор займає площу в 3000 км 2 (!) І складається як з флуоресцентних, так і наземних сцинтиляційних датчиків. Зовні це виглядає як більш півтора тисячі ємностей з дистильованою водою – рідкі сцинтиляційні детектори (черенковськие лічильники), які в момент взаємодії мюонів з атомами води, фіксують черенковское випромінювання – і ще близько 24 оптичних (флуоресцентних) телескопів над ними, завданням яких є перевірка Аргентинського неба на ультрафіолетове світіння. З огляду на і розміри, і кількість детекторів, і їх «різноплановість», обсерваторія Оже стала основним приладом для обчислення і аналізу даних про частки ультрависоких енергій.
Але перш ніж говорити про дані, отримані вченими обсерваторії, слід прояснити ситуацію, яка на той момент існувала в сфері фізики космічних променів, і розкрити основні питання, що стали предметом дискусії дослідників частинок ультрависоких енергій. А суперечки все точилися як тоді, на момент споруди обсерваторії Оже, так, забігаючи на перед відзначимо, і зараз, через 9 років, навколо джерела, відправної точки частинок, подібних “Oh-My-God”.
Вчені встановили, що надшвидкісні космічні частинки повинні купувати свою швидкість за рахунок ударного прискорення, яке, в свою чергу, виникає внаслідок руху плазми. Коли швидкість руху плазми перевищує швидкість звуку, частинки, що потрапляють в «пастку» між магнітним полем плазми з одного боку і порожнім вакуумом – з іншого, починають рухатися взад-вперед поперек ударної хвилі, набираючи прискорення. Виникає очевидне запитання: які ж процеси в космосі пов’язані з надзвуковим рухом плазми? Відповідь досить проста: так практично все.Це і спалахи на Сонці, і зоряні вибухи – наднові, і обертання нейтронних зірок – пульсарів, і зіткнення галактик, і випромінювання надмасивних чорних дір, які перебувають в центрах активних галактик. Але з усього перерахованого вище випливає встановити найпотужніший акселератор.
Більшість космічних променів викликані вибухами на Сонці, проте це джерело не настільки потужний, щоб надати прискорення такої частинки, як «Oh-My-God».Пульсари – вже могутніше, однак їх магнітне поле занадто слабо, щоб утримувати прискорену частку; навіть якщо мову вести про магнетари – пульсарах з сильним магнітним полем – під час руху по колу частка все одно буде витрачати енергію на випускання електромагнітного випромінювання і, врешті-решт, вилетить, втративши необхідний енергетичний запас.
Таким чином, в кандидатах на роль космічного прискорювача суперчастіц залишаються надмасивні чорні діри, що зіштовхуються галактики і наднові. Говорячи про чорні діри, слід зазначити, що прискорення в такому випадку відбувається за рахунок джетів квазарів: чорна діра, що знаходиться в центрі квазара, в результаті акреції – поглинання навколишнього матерії – набуває величезну масу і випускає надпотужне випромінювання – джет, який і може служити джерелом прискорення частинок.
Є і ще один потенційний спосіб освіти суперчастіци – коли вона спочатку з’являється на світ з ультрависокої енергією. Як випливає з самого відомого ейнштейнівського рівняння E = mc 2 , енергія прямо пропорційна масі, а значить своїм народженням сверхенергетіческая частка могла б бути зобов’язана розпаду матерії, що має величезну масу. Такою є темна матерія, що заповнює весь Всесвіт. Однак її існування поки що є лише гіпотезою (грунтується вона на тому, що якщо сукупність всіх небесних тіл галактики менше, ніж маса самої галактики, то повинна існувати матерія, що заповнює галактику і надає їй масу), тому стверджувати про можливість такого утворення частинок ультрависоких енергій ми не можемо.
Але повернемося ж до даних, отриманих в обсерваторії ім. П’єра Оже, на яку сподівалися стільки фізиків. Експерти обсерваторії, піймавши кілька частинок ультрависоких енергій (близько 57 ЕеВ), завдали приблизну траєкторію їхнього польоту на карту Всесвіту, і виявили, що деякі з них могли б прилітати до нас із сусідньої активної галактики – Центавр А, яка розташована всього лише в 12 мільйонах світлових років від Сонця.
Але і тут отримані дані були поставлені під сумнів: вчені Стенфордського університету відзначили, що ця галактика насправді дуже слабка, щоб провокувати високоенергетичних гамма-промені, а проблемою дослідників обсерваторії є просторова прив’язка.
Труднощі у встановленні точного джерела первинної частинки пов’язані з міжгалактичними магнітними полями, які викривляють прямолінійну траєкторію одиничних протонів, а більш важких атомних ядер – тим більше (що обумовлюється великою кількістю в них протонів).
Але якими б не були труднощі у виявленні частинок типу «Oh-My-God», наскільки б неможливим не видавалося визначення їх джерела, що увійшли в раж погоні вчені відмовляються зупиняти полювання. Зараз в планах у астрофізиків вийти за планетарні масштаби і використовувати Місяць як рефлекторний телескоп для фіксації частинок ультрависоких енергій. Для цього на території Австралії і Південної Африки до 2025 року планується побудувати гігантський надчутливий радіотелескоп Square Kilometre Array, станції якого займуть площу в 33000 км 2 ! Завданням детектора буде уловлювання наносекундних радіохвиль, викликаних зіткненням надшвидкісних і високоенергетичних часток з діелектричної грунтом Місяця. Це збільшить шанси розгадки секретів невловимих частинок в сотні разів, адже в такому випадку вони будуть фіксуватися з набагато більшою частотою і реєструватися до моменту взаємодії з атмосферою Землі.
Така метушня навколо космічних променів є цілком обумовленою, адже дослідження суперчастіц допоможе нам не тільки дізнатися загадки Всесвіту, а й відкрити зв’язок між ними і фізичними процесами, що протікають на Землі. Більш того, ще не встановлено, чи дійсно нейтральними є частинки типу «Oh-My-God» в плані впливу на організм людини – можливо, такі атмосферні зливи здатні вносити зміни в наші ланцюга ДНК.
У будь-якому випадку, це черговий приклад спроби людства приборкати Всесвіт. А яким буде результат цього протиборства нам, найімовірніше, належить дізнатися в найближчому майбутньому.
