Вселенная способна разгонять частицы до таких энергий, которые нам пока недоступны.
Выдающимся результатом 2013 года стала первая регистрация нейтрино сверхвысоких энергий в нейтринном телескопе IceCube . Это огромная, с кубический километр, сеть светочувствительных датчиков, погруженных в толщу антарктического льда и наблюдающих за свечением от широкого ливня, порожденного частицей высокой энергии. Количество света, собранного датчиками, сообщает о выделившейся энергии, а точный момент срабатывания каждого из них позволяет восстановить картину распространения ливня частиц, а значит, и определить направление, с которого пришло нейтрино.
Обложка журнала Science за 22 ноября 2013 года с изображением отклика, который оставило нейтрино с энергией 250 ТэВ, зарегистрированное детектором IceCube. Изображение с сайта sciencemag.org
До сих пор IceCube регистрировал только нейтрино умеренно большой энергии, которые могли бы быть вызваны и нейтрино, появившимися в земной атмосфере при столкновении высокоэнергетических частиц космических лучей. Однако в двух статьях, опубликованных в этом году (M. G. Aartsen et al. First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube и IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector), коллаборация IceCube сообщает, что ей удалось набрать достаточное количество событий с экстремально высокими энергиями нейтрино. В двух случаях энергии нейтрино превышали даже 1 ПэВ (петаэлектронвольт), что в 250 раз больше энергии протонов в Большом адронном коллайдере! (В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ, то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт, 16.03.2012 протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ) 1 ПэВ =1015 электронвольт.
Такое количество нейтрино высокой энергии на атмосферный источник уже не спишешь. Таким образом, детектор IceCube впервые поймал настоящие космические нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие откуда-то из глубокого космоса и несущие информацию о произошедших там процессах с огромной концентрацией энергии. Благодаря тому, что нейтрино пролетают насквозь все преграды и не отклоняются магнитным полем галактики, они позволяют по-новому взглянуть на такие процессы, открывают нам «нейтринное зрение».
На рисунке показано распределение по небу всех 28 высокоэнергетических нейтрино с энергией выше 30 ТэВ, зарегистрированных детектором IceCube. Любопытно, что сразу пять событий образуют некий компактный кластер, и это может навести на мысль, что все они, возможно, испущены каким-то одним исключительно мощным космическим источником нейтрино. К сожалению, статистическая проверка показывает, что пока что этот вывод необоснован - такая кластеризация вполне могла сложиться и случайно. Но ситуация может стать более интересной, когда статистика возрастет еще в несколько раз.
Распределение по небу 28 нейтринных событий с энергией выше 30 ТэВ, зарегистрированных детектором IceCube. Цветом показаны восстановленные направления прилета нейтрино в пределах погрешностей; бледный цвет показывает, что данное нейтринное событие плохо отделяется от атмосферного нейтринного фона, яркий цвет означает, что нейтринное событие гарантированно имеет космическое происхождение. События нанесены на карту неба в галактических координатах. Изображения с сайта sciencemag.org
Кроме этого особый интерес для физиков представляют загадки, связанные с позитронами с энергиям порядка 100 ГэВ и выше, которые наделали много шума несколько лет назад. В этом году были опубликованы первые данные с нового большого спутникового детектора AMS-02. Вкратце, AMS-02 тщательно промерял ту область энергий, где прошлые эксперименты наблюдали некие странности, и эти странности подтвердились. Однако у AMS-02 есть возможность подняться еще сильнее по шкале энергий и тем самым, возможно, сделать новые открытия. К этому анализу коллаборация только приступает. А теоретики тем временем продолжают ломать копья вокруг загадки космических позитронов. Источник http://elementy.ru/news/432168
В основном, космические лучи состоят из «обычных» для глубокого космоса частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Но иногда в них встречается и что-то необычное, например частицы антиматерии - антипротоны и позитроны. Откуда они могут взяться, если вся Вселенная состоит из вещества, а не антивещества?
Во-первых, античастицы, в особенности позитроны, могут рождаться вблизи какого-то астрофизического объекта, который работает космическим ускорителем электронов, например пульсара. Тогда он может подхватить и разогнать до больших энергий не только электроны, но и позитроны. Такие позитроны считаются полноправным компонентом первичных космических лучей, однако их происхождение по-прежнему остается астрофизическим.
Даже если античастиц не было в первичных космических лучах, они возникнут при их столкновении с межзвездным веществом. Такие частицы называются вторичными, поскольку они возникают как побочный продукт распространения первичных космических лучей в галактике. Это самый стандартный, «наискучнейший» источник позитронов и антипротонов в космосе.
Наконец, еще есть очень интересный вариант, когда античастицы возникают при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Несмотря на все усилия физиков, темная материя остается загадочной субстанцией, составленной из частиц неизвестной природы. Но раз такая возможность допустима, это только усиливает интерес к античастицам в космических лучах. Ведь если окажется, что античастиц там слишком много или они имеют какую-то необычную зависимость от энергии, это само по себе уже будет серьезной заявкой на регистрацию частиц темной материи.
В последние годы огромный интерес физиков вызвали именно позитроны в космических лучах: их оказалось слишком много. Поэтому дальше речь пойдет только о них. С антипротонами ситуация пока находится в норме.
Что требуется сделать астрофизикам, чтобы разобраться с происхождением космических позитронов? Прежде всего, надо измерить их поток, то есть найти, сколько позитронов на квадратный метр падает на Землю. До недавнего времени спутниковые детекторы могли измерить лишь суммарный поток электронов и позитронов, но не разделить его на две части. Несколько лет назад ситуация изменилась, и теперь детекторы PAMELA, AMS02 и, отчасти, Fermi-LAT умеют измерять долю позитронов. Требуется также измерить, как доля позитронов изменяется с энергией - ведь они возникают не совсем в одинаковых условиях. Есть и другие характеристики, которые тоже можно изучать. Кроме непосредственных наблюдений астрофизикам требуется понять, что должно происходить с позитронной долей, если предположить, что позитроны рождаются за счет каждого из механизмов. И вот это, оказывается, очень трудная задача.
Во-первых, характеристики электронов и позитронов меняются по мере распространения в галактике. Электроны и позитроны остывают - теряют энергию за счет синхротронного излучения в магнитном поле. Они также сталкиваются с межзвездным веществом или с фотонами. Они могут вообще на время вылететь из диска галактики, а потом вернуться в него в другом месте. Все такие процессы желательно принимать во внимание.
Во-вторых, плохо известны некоторые характеристики самой галактики, а тем более межгалактической среды. Мы видим звезды, мы видим газопылевые облака, но мы не можем напрямую увидеть, скажем, распределение магнитного поля в галактике. Оно требует численного моделирования, которое и само по себе очень сложно, и вдобавок опирается на некоторые предположения. Моделирование показывает, что магнитное поле в галактике вовсе не однородное и даже не плавно меняющееся, а очень беспорядочное, сильно турбулентное (см. рис). Электроны и позитроны отклоняются этим беспорядочным полем, как бы наматываются на его силовые линии, и поэтому их траектории получаются столь же беспорядочными.
Типичный результат моделирования магнитного поля в спиральной галактике; показан узкий срез шириной в 1 килопарсек в толще диска. Цветом показана напряженность магнитного поля. Рисунок с сайта www.aanda.org
Дальше еще много подробностей с иллюстациями, смотрите Источник
Одной из надежных характеристик считалась (или считается, см. обсуждение ниже) энергетическая зависимости позитронной доли. Если предположить, что все позитроны вторичные , то по теоретическим расчетам для энергий выше 1 ГэВ эта доля должна быть небольшой (серая полоса ). Кроме того, она должна быстро уменьшаться с ростом энергии. Однако данные, полученные на трех спутниковых детекторах, которые способны разделять электроны и позитроны, показывают нечто совершенно противоположное (цветные точки ). Вплоть до 10 ГэВ всё было в порядке, но дальше падение сменилось ростом, и в области 100-300 ГэВ доля позитронов составляет 10-20%, а вовсе не 2-3%, как предсказывали модели. Более подробное описание см. в новости Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли
Доля позитронов в космических лучах с энергией от 0,5 до 500 ГэВ. Приведены сравнения данных трех космических детекторов (цветные точки) с теоретическими ожиданиями (серая полоса). Изображение с сайта physics.aps.org
Обложка журнала Science за 22 ноября 2013 года с изображением отклика, который оставило нейтрино с энергией 250 ТэВ, зарегистрированное детектором IceCube. Изображение с сайта sciencemag.org
До сих пор IceCube регистрировал только нейтрино умеренно большой энергии, которые могли бы быть вызваны и нейтрино, появившимися в земной атмосфере при столкновении высокоэнергетических частиц космических лучей. Однако в двух статьях, опубликованных в этом году (M. G. Aartsen et al. First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube и IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector), коллаборация IceCube сообщает, что ей удалось набрать достаточное количество событий с экстремально высокими энергиями нейтрино. В двух случаях энергии нейтрино превышали даже 1 ПэВ (петаэлектронвольт), что в 250 раз больше энергии протонов в Большом адронном коллайдере! (В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ, то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт, 16.03.2012 протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ) 1 ПэВ =1015 электронвольт.
Такое количество нейтрино высокой энергии на атмосферный источник уже не спишешь. Таким образом, детектор IceCube впервые поймал настоящие космические нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие откуда-то из глубокого космоса и несущие информацию о произошедших там процессах с огромной концентрацией энергии. Благодаря тому, что нейтрино пролетают насквозь все преграды и не отклоняются магнитным полем галактики, они позволяют по-новому взглянуть на такие процессы, открывают нам «нейтринное зрение».
На рисунке показано распределение по небу всех 28 высокоэнергетических нейтрино с энергией выше 30 ТэВ, зарегистрированных детектором IceCube. Любопытно, что сразу пять событий образуют некий компактный кластер, и это может навести на мысль, что все они, возможно, испущены каким-то одним исключительно мощным космическим источником нейтрино. К сожалению, статистическая проверка показывает, что пока что этот вывод необоснован - такая кластеризация вполне могла сложиться и случайно. Но ситуация может стать более интересной, когда статистика возрастет еще в несколько раз.
Распределение по небу 28 нейтринных событий с энергией выше 30 ТэВ, зарегистрированных детектором IceCube. Цветом показаны восстановленные направления прилета нейтрино в пределах погрешностей; бледный цвет показывает, что данное нейтринное событие плохо отделяется от атмосферного нейтринного фона, яркий цвет означает, что нейтринное событие гарантированно имеет космическое происхождение. События нанесены на карту неба в галактических координатах. Изображения с сайта sciencemag.org
Кроме этого особый интерес для физиков представляют загадки, связанные с позитронами с энергиям порядка 100 ГэВ и выше, которые наделали много шума несколько лет назад. В этом году были опубликованы первые данные с нового большого спутникового детектора AMS-02. Вкратце, AMS-02 тщательно промерял ту область энергий, где прошлые эксперименты наблюдали некие странности, и эти странности подтвердились. Однако у AMS-02 есть возможность подняться еще сильнее по шкале энергий и тем самым, возможно, сделать новые открытия. К этому анализу коллаборация только приступает. А теоретики тем временем продолжают ломать копья вокруг загадки космических позитронов. Источник http://elementy.ru/news/432168
В основном, космические лучи состоят из «обычных» для глубокого космоса частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Но иногда в них встречается и что-то необычное, например частицы антиматерии - антипротоны и позитроны. Откуда они могут взяться, если вся Вселенная состоит из вещества, а не антивещества?
Во-первых, античастицы, в особенности позитроны, могут рождаться вблизи какого-то астрофизического объекта, который работает космическим ускорителем электронов, например пульсара. Тогда он может подхватить и разогнать до больших энергий не только электроны, но и позитроны. Такие позитроны считаются полноправным компонентом первичных космических лучей, однако их происхождение по-прежнему остается астрофизическим.
Даже если античастиц не было в первичных космических лучах, они возникнут при их столкновении с межзвездным веществом. Такие частицы называются вторичными, поскольку они возникают как побочный продукт распространения первичных космических лучей в галактике. Это самый стандартный, «наискучнейший» источник позитронов и антипротонов в космосе.
Наконец, еще есть очень интересный вариант, когда античастицы возникают при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Несмотря на все усилия физиков, темная материя остается загадочной субстанцией, составленной из частиц неизвестной природы. Но раз такая возможность допустима, это только усиливает интерес к античастицам в космических лучах. Ведь если окажется, что античастиц там слишком много или они имеют какую-то необычную зависимость от энергии, это само по себе уже будет серьезной заявкой на регистрацию частиц темной материи.
В последние годы огромный интерес физиков вызвали именно позитроны в космических лучах: их оказалось слишком много. Поэтому дальше речь пойдет только о них. С антипротонами ситуация пока находится в норме.
Что требуется сделать астрофизикам, чтобы разобраться с происхождением космических позитронов? Прежде всего, надо измерить их поток, то есть найти, сколько позитронов на квадратный метр падает на Землю. До недавнего времени спутниковые детекторы могли измерить лишь суммарный поток электронов и позитронов, но не разделить его на две части. Несколько лет назад ситуация изменилась, и теперь детекторы PAMELA, AMS02 и, отчасти, Fermi-LAT умеют измерять долю позитронов. Требуется также измерить, как доля позитронов изменяется с энергией - ведь они возникают не совсем в одинаковых условиях. Есть и другие характеристики, которые тоже можно изучать. Кроме непосредственных наблюдений астрофизикам требуется понять, что должно происходить с позитронной долей, если предположить, что позитроны рождаются за счет каждого из механизмов. И вот это, оказывается, очень трудная задача.
Во-первых, характеристики электронов и позитронов меняются по мере распространения в галактике. Электроны и позитроны остывают - теряют энергию за счет синхротронного излучения в магнитном поле. Они также сталкиваются с межзвездным веществом или с фотонами. Они могут вообще на время вылететь из диска галактики, а потом вернуться в него в другом месте. Все такие процессы желательно принимать во внимание.
Во-вторых, плохо известны некоторые характеристики самой галактики, а тем более межгалактической среды. Мы видим звезды, мы видим газопылевые облака, но мы не можем напрямую увидеть, скажем, распределение магнитного поля в галактике. Оно требует численного моделирования, которое и само по себе очень сложно, и вдобавок опирается на некоторые предположения. Моделирование показывает, что магнитное поле в галактике вовсе не однородное и даже не плавно меняющееся, а очень беспорядочное, сильно турбулентное (см. рис). Электроны и позитроны отклоняются этим беспорядочным полем, как бы наматываются на его силовые линии, и поэтому их траектории получаются столь же беспорядочными.
Типичный результат моделирования магнитного поля в спиральной галактике; показан узкий срез шириной в 1 килопарсек в толще диска. Цветом показана напряженность магнитного поля. Рисунок с сайта www.aanda.org
Дальше еще много подробностей с иллюстациями, смотрите Источник
Одной из надежных характеристик считалась (или считается, см. обсуждение ниже) энергетическая зависимости позитронной доли. Если предположить, что все позитроны вторичные , то по теоретическим расчетам для энергий выше 1 ГэВ эта доля должна быть небольшой (серая полоса ). Кроме того, она должна быстро уменьшаться с ростом энергии. Однако данные, полученные на трех спутниковых детекторах, которые способны разделять электроны и позитроны, показывают нечто совершенно противоположное (цветные точки ). Вплоть до 10 ГэВ всё было в порядке, но дальше падение сменилось ростом, и в области 100-300 ГэВ доля позитронов составляет 10-20%, а вовсе не 2-3%, как предсказывали модели. Более подробное описание см. в новости Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли
Доля позитронов в космических лучах с энергией от 0,5 до 500 ГэВ. Приведены сравнения данных трех космических детекторов (цветные точки) с теоретическими ожиданиями (серая полоса). Изображение с сайта physics.aps.org