CC BY
3
УДК 53.05
НАБЛЮДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НЕЙТРИНО ВЫСОКИХ И
СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
И. В. Назаров Научный руководитель - В.Г. Сидоров
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
В данной статье рассматриваются последние измерения космических лучей сверхвысоких энергий и нейтрино. Помимо поиска источников галактических и внегалактических космических лучей, новое поколение обсерваторий космических лучей и нейтрино затрагивает широкий спектр научных проблем, и они уже дали важные результаты по проверке фундаментальной физики.
Ключевые слова: космические лучи, нейтрино, телескоп, обсерватория, излучение, частицы, энергетическая шкала, астрофизические модели.
OBSERVATIONS OF COSMIC RAYS OF NEUTRINOS OF HIGH AND ULTRAHIGH ENERGIES
I. V. Nazarov Scientific supervisor - V.G. Sidorov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article discusses the latest measurements of ultrahigh-energy cosmic rays and neutrinos. In addition to the search for sources of galactic and extragalactic cosmic rays, the new generation of the cosmic ray and neutrino observatory addresses a wide range of scientific problems, and they have already given important results on the verification offundamental physics.
Keywords: cosmic rays, neutrinos, telescope, observatory, radiation, particles, energy scale, astrophysical models.
Понимание происхождения космических лучей при самых высоких энергиях является одной из самых актуальных проблем в физике астрочастиц.
Космические лучи с энергией выше 1020 эВ наблюдаются уже более 40 лет, но из-за их низкого потока только недавно было зарегистрировано около 10 событий с такими высокими энергиями [1].
Не существует признанного источника частиц, способных производить такие экстремальные энергии. Легкость выполнения этих требований стимулировала появление большого количества творческих работ. Кроме того, в энергетическом спектре вблизи 1020 эВ должна наблюдаться крутизна, обусловленная взаимодействием КР с микроволновым фоновым излучением (CMB).
Этот эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК) сильно ограничивает горизонт частиц, которые можно наблюдать при энергиях выше —6-101 эВ.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
Как ни странно, решение проблемы происхождения КР из верхней части энергетического спектра представляется наиболее перспективным подходом, поскольку измерение КР там является наиболее сложной экспериментальной задачей.
Этому есть две причины: при самых высоких энергиях отклонения в галактическом и внегалактическом магнитных полях считаются достаточно малыми, чтобы позволить CR-астрономию, т.е. самые энергичные частицы должны быть направлены к их источникам.
Во-вторых, эффект ГЗК подавляет частицы на расстояниях более 50-100 Мпк, поэтому он действует как фильтр для близлежащих источников, минимизируя неоднозначность направления, вызванную слишком большим количеством источников.
Помимо астрофизики, физика частиц также заинтересована в изучении этого энергетического режима, поскольку с помощью КР можно получить фундаментальные взаимодействия при гораздо более высоких энергиях, чем могут достичь искусственные ускорители в обозримом будущем [2].
Это дает возможность измерять взаимодействия частиц при экстремальных энергиях (например, взаимодействие протона с ядром, ядра су-ядром и v-ядра) и изучать фундаментальную физику, такую как гладкость пространства-времени или справедливость инвариантности Лоренца в неисследованных областях.
Высокоэнергетическая среда ускоренного CR может включать вещество или радиационные поля, с которыми ускоренные адроны CR будут взаимодействовать, производя заряженные ионы и каоны, которые затем распадаются на нейтрино и фотоны.
Испускание нейтрино было бы верным признаком адронного ускорителя, поскольку высокоэнергетические фотоны могут также производиться в результате Комптоновского обратного рассеяния высокоэнергетических электронов. Кроме того, нейтрино могут легко выходить из очень плотных локальных сред, что дает новое представление о самых экстремальных космических объектах, "скрытых" от любых других наблюдений.
Однако их обнаружение при энергиях в несколько сотен ТэВ и выше требует объемов обнаружения в кубических километрах. Помимо понимания происхождения CR, нейтринные телескопы можно использовать для изучения свойств нейтрино и поиска новых частиц, таких как магнитные монополи, долгоживущие суперсимметричные частицы или другие экзотические частицы.
Шансы на решение давней загадки происхождения КР резко изменились после десятилетий очень медленного прогресса из-за отсутствия высокостатистических и качественных данных [3].
Телескопы Байкал и АМАН-ДА, расположенные в северном и южном полушариях соответственно, стали первыми крупномасштабными детекторами астрофизических нейтрино. Оба предприятия успешно работают уже около 10 лет.
В северном полушарии европейская деятельность сейчас сосредоточена в Средиземноморье: ANTARES около Тулона, NESTOR около Пилоса в Греции и NEMO на восточном побережье Сицилии.
В настоящее время эти три сотрудничающие организации сформировали консорциум KM3NET для разработки и размещения будущих средиземноморских проектов километрового масштаба. На географическом Южном полюсе AMANDA сменяет телескоп IceCube. Оба проекта также имеют сильное европейское участие. IceCube развернул 59 из 86 струн и, как ожидается, будет полностью готов к работе в феврале 2011 года [4].
Работа нейтринных телескопов в глубокой воде и во льду может считаться взаимодополняющей, поскольку они сталкиваются с разными техническими проблемами и должны учитывать различные свойства оптической среды. Поскольку объемы и время работы различных нейтринных телескопов сильно различаются, IceCube и AMANDA предлагают наилучшие текущие ограничения для астрофизических нейтрино и поиска темной материи и другой экзотики. В качестве примера, вот первая карта всего неба из
шестимесячных данных 1сеСиЬе в 2008 году, основанная на 40 струнах. Это первый результат, полученный с помощью половины инструментов 1сеСиЬе.
Для того чтобы исследовать все небо с помощью одного инструмента, в анализе используется подавление атмосферных падающих мюонов с помощью энергочувствительных срезов. Самое горячее место" на карте представляет собой превышение семи событий, что является отклонением от атмосферного фона с вероятностью 10-4,4 [5].
Вероятность того, что это событие произойдет в любой точке карты неба, составляет около 60% после учета экспериментальных факторов. Фон включает 6796 нейтрино в северном полушарии и 10 981 падающих мюонов в южном полушарии.
В целом, за последние два года физика космических лучей и высокоэнергетических нейтрино значительно продвинулась вперед. В случае иНЕСЯ^ структура О2К в энергетическом спектре наблюдалась с высокой статистической точностью, и из этих данных была получена анизотропия при самых высоких энергиях. Наложение анизотропии чуть выше порога ГЗК подтверждает закономерность влияния ГЗК как фильтра для близлежащих источников.
Хотя направленная корреляция с близлежащими ЛОК еще обсуждается, малый масштаб угловой корреляции позволяет предположить, что доминирующими частицами являются легкие частицы.
Однако наблюдения за положением максимума Хтах капель дождя в атмосфере и уровнем флуктуаций Хтах позволяют предположить наличие смешанного тяжелого компонента.
В последние годы чувствительность нейтринных телескопов к точечным источникам и диффузным потокам улучшилась на несколько порядков величины и в широком энергетическом диапазоне. Однако ни точечных источников, ни диффузных потоков не наблюдалось.
Поэтому для детального анализа отдельных источников нейтрино при энергиях ТэВ потребуются приборы размером гораздо больше одного кубического километра. Это необходимо учесть при проектировании будущего телескопа КМ3КЕТ. Аналогично, из-за О2К пробела в энергетическом спектре иНЕСЯ, для сбора статистики, достаточной для астрономических исследований отдельных источников, потребуются гораздо более крупные обсерватории, чем существующие в настоящее время.
Для решения этих задач ведутся смежные исследования, такие как радио- и акустические методы обнаружения частиц.
Библиографические ссылки
1. Топтыгин И.Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. - М.: "Наука", -1983, - 304с.
2. Григоров Н.Л. Электроны высокой энергии в окрестности Земли. - М.: "Наука", -1985, -119с.
3. Гинзбург В. Л., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. - М.: Изд-во АН СССР, -1963, - 196с.
4. Грайзен К. Физика космических рентгеновских лучей, гамма-лучей и частиц высокой энергии. - М.: "Мир", -1975, - 206с.
5. Аминева Т.П., Астафьев В.А., Варковицкая А.Я. Исследование мюонов сверхвысоких энергий. Метод рентгено-эмульсионных камер. - М.: "Наука", -1975, -356с.
© Назаров И.В., 2022
