Направление прихода частицы Аматэрасу в экваториальных координатах. Видны локальные пустоты, окружающие нашу Галактику. В этом направлении неизвестны галактические или внегалактические объекты-кандидаты. Источник: Osaka Metropolitan University
Два с половиной года назад, 27 мая 2021 года, заряженная частица (или даже ядро атома) с чрезвычайно высокой энергией (2,44х1020 электрон-вольт, эВ) была зарегистрирована установкой Telescope Array, расположенной в пустынной части американского штата Юта. Решающую роль в физической интерпретации обнаруженного в эксперименте рекордного события сыграли ученые из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). Результаты исследования опубликованы в свежем выпуске журнала Science от 24 ноября 2023 года от имени международной коллаборации Telescope Array, объединяющей исследователей США, Японии, Южной Кореи, России и Бельгии.
Космические лучи ультравысоких энергий (ultrahigh-energy cosmic rays – UHECRs) – это частицы и ядра атомов с энергией свыше одного эксаэлектронвольта (1018 эВ). Это примерно в миллион раз превосходит энергию, достижимую на ускорителях элементарных частиц типа Большого адронного коллайдера (LHC). Считается, что их происхождение связано с гамма-всплесками во Вселенной, порождаемыми сверхмассивными черными дырами в центрах активных галактических ядер. События с такими энергиями интересны прежде всего тем, что из-за своей рекордной энергии отклоняются космическими магнитными полями всего на несколько градусов. По всей видимости, они приходят к нам из-за пределов Галактики, поэтому могут служить принципиально новым каналом получения информации о внегалактических объектах. Источники таких высокоэнергичных частиц, зарегистрированных на Земле, не могут располагаться на расстояниях более 50–100 мегапарсек (Мпк) от Земли. Долететь с бОльших расстояний им мешает так называемый эффект ГЗК – в результате взаимодействия с космическим микроволновым фоном частицы с энергией выше 5х1019 эВ не успевают без потерь пройти через межгалактическую среду. Этот предел Грайзена–Зацепина–Кузьмина был вычислен в 1966 году.
По словам Григория Рубцова, заместителя директора ИЯИ РАН, руководителя российской группы Telescope Array, «после того как эффект ГЗК экспериментально подтвержден с высокой степенью достоверности, краеугольным камнем становится наблюдение редких событий с энергиями, существенно превышающими пороговое значение. Даже одно такое событие многое говорит о природе космических лучей».
После того как событие с рекордной энергией было обнаружено, российская группа подвергла его тщательному анализу. Направление прихода частицы было соотнесено с трехмерной картой внегалактических объектов. Михаил Кузнецов, научный сотрудник лаборатории обработки больших данных ИЯИ РАН, поясняет: «Было установлено, что частица пришла из пустой области в локальной Вселенной, что указывает на ее очень сильное отклонение от источника и, следовательно, на то, что частица с высокой вероятностью является атомным ядром с большим зарядом. Это, в свою очередь, говорит о том, что ее источник, хотя и не идентифицирован явно, находится относительно близко к нашей Галактике».
В дальнейшем предполагается продолжить реализацию эксперимента Telescope Array и более детально исследовать источники этих чрезвычайно энергичных частиц. Используя разработанные в российской группе методы классификации, основанные на машинном обучении, можно будет с повышенной точностью провести анализ типа этих частиц и понять, что собой представляют эти космические лучи ультравысоких энергий – протоны или более тяжелые ядра.
Комментируя будущее исследований, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН Сергей Троицкий отмечает, что «регистрация космических лучей предельно высоких энергий позволяет провести поиск проявлений новых частиц и взаимодействий в ранее недоступных для исследования областях пространства параметров. Подобные модели, связанные прежде всего с нейтринным сектором и с сектором темной материи, могут решить ряд фундаментальных проблем современной физики».
До сих пор в качестве источников такого рода высокоэнергетических частиц рассматривались лишь гигантская эллиптическая галактика M87 (16,5 Мпк) в скоплении Девы с активным ядром, известным по прямым изображениям сверхмассивной черной дыры в 6,5 млрд масс Солнца, а также активная галактика с интенсивным звездообразованием M82 (3,5 Мпк). Однако они находятся в направлениях, заведомо отличных от тех, что подошли бы в данном случае. Поэтому теперь ученые не исключают существования каких-то неизвестных астрономических явлений или новых физических принципов, выходящих за рамки стандартной модели. Например, особые распады частиц темной материи.
Уже свыше 15 лет, начиная с 2008 года, установка Telescope Array занимается постоянным мониторингом подобных космических лучей. И событие 27 мая 2021 года по своей энергии сопоставимо со знаменитой частицей Oh-My-God («О боже мой!»), зарегистрированной вечером 15 октября 1991 года на испытательном полигоне Дагвэй в штате Юта с помощью детектора космических лучей «Глаз мухи» (Fly’s Eye Cosmic Ray Detector), принадлежавшего Университету штата Юта. Энергия той частицы оценивалась в 3х1020 эВ. Такую энергию имеет, например, 142-граммовый бейсбольный мяч, движущийся со скоростью 93,6 км/ч. С момента регистрации Oh-My-God-частицы было обнаружено около сотни аналогичных событий. Все это подтверждает достоверность существования частиц ультравысоких энергий, хотя обычно энергия космических лучей (изучаемых уже свыше столетия с момента их открытия в 1912 году) находится в диапазоне от 10 МэВ до 10 ГэВ. Исследования, проводимые с помощью Telescope Array, ранее позволили предположить, что источник многих из этих частиц находится в 20-градусной зоне в направлении на созвездие Большой Медведицы.
Новое зарегистрированное событие предложено неофициально называть «частицей Аматэрасу» – в честь богини Солнца из японского синтоистского пантеона, поскольку обнаружена она была на рассвете.
По материалам пресс-службы ИЯИ РАН
Владимир Мухин 
