В грозовых тучах нашли антиматерию из неясного источника

Количество позитронов, зарегистрированных группой Дуайера в грозовом облаке так велико, что они не могли быть порождены наблюдавшимися на месте умеренными всплесками гамма-излучения.

Фотография: Wikimedia Commons

Группа физиков во главе с Джозефом Дуайером (Joseph Dwyer) из Университета Нью-Гемпшира (США) выяснила, что внутри грозового облака встречаются «облачка» античастиц. Однако ни один известный на данный момент источник антиматерии не может быть признан ответственным за их появление, отмечают исследователи в своей статье, готовящейся к выходу в Journal of Plasma Physics. С ее кратким изложением можно ознакомиться на Nature News.

В августе 2009 года самолет Gulfstream V, оборудованный детектором частиц, из-за ошибки пилотов взлетел в грозовое облако. Присутствовавший на борту Дуайер позднее проанализировал записи детектора, и совместно с коллегами установил, что в момент пролета через облако было зафиксировано три всплеска гамма-излучения длительностью по 0,2 секунды с энергией 511 килоэлектронвольт. Такие всплески соответствуют реакции аннигиляции обычного электрона и его античастицы, позитрона. Также было зафиксировано гамма-изучение несколько меньших энергий, которое группа Дуайера приписала гамма-лучам, потерявшим часть своей энергии во время прохождения через атмосферу. Для объяснения этих наблюдений требовалось, чтобы самолет окружало облачко античастиц диаметром в 1-2 километра.

На данный момент неясно, какой именно источник мог породить позитронное облако таких размеров. Электроны грозовых разрядов могут быть ускорены до околосветовых скоростей и породить гамма-излучение высоких энергий, которое, при попадании в ядра атомов воздуха, способно генерировать электрон-позитронные пары. Однако это объяснение нельзя назвать удовлетворительным, поскольку гамма-лучи высоких энергий, способные породить такие пары, зарегистрированы не были.

Альтернативным источником античастиц могли бы стать космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, которые при столкновении с атомами верхних слоев атмосферы порождают короткоживущие потоки частиц высоких энергий. В том числе и фотоны гамма-излучения. Как отмечает Дуайер, благодаря этому в атмосфере все время идет «мелкая изморось» из позитронов. В теории могут существовать механизмы, собирающие позитроны со значительного участка атмосферы в одну точку, к самолету, случайно попавшему в грозовое облако. Однако такая миграция позитронов должна была породить другие, сопутствующие виды излучения, которые исследователями также не были зафиксированы.


В силу того, что авторам не удалось найти удовлетворительного кандидата в источники антиматерии, группа Дуайера решила опубликовать полученные материалы лишь после шести лет тщательной работы над ними. Несмотря на это, работа вызвала сдержанную реакцию коллег-физиков. «Это наблюдение – настоящая головоломка» – отмечает Майкл Бриггс (Michael Briggs), физик из Космического центра им. Маршалла NASA.

Данные группы Дуайера – «железное свидетельство» наличия позитронов, считает Джаспер Киркби (Jasper Kirkby), специалист по физике элементарных частиц, работающий на БАК. Тем не менее, продолжает он, «их интерпретация нуждается в уточнении» . В частности, он высказывает сомнение в столь большом размере облака античастиц. По его мнению вместо 1-2 километров оно занимало лишь пространство рядом с самолетом, или даже существовало только на корпусе летательного аппарата.

В таком случае, отмечает Александр Гуревич из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, крылья могли приобрести значительный заряд, порождающий сильные электрические поля. Оно, в свою очередь, способно генерировать электрон-позитронные пары. Правда, эффективность рождения таких пар экспоненциально падет при снижении напряженности поля, и чтобы предполагаемый эффект рождения пар был заметен, электрическое поле на крыльях должно было быть порядка 10 квадриллионов вольт на сантиметр. А это на семь порядков больше, чем напряженность поля на боровской орбите атома водорода. Иными словами, такое объяснение подразумевает возникновение на крыльях самолета действительно весьма значительного электрического поля, в лаборатории получаемого, например, во время коротких импульсов мощных фемтосекундных лазеров.

Чтобы проверить, каковы были истинные размеры облака античастиц и уточнить другие аспекты своего необычного наблюдения, Дуайер планирует провести ряд дополнительных наблюдений в центре грозовых облаков. Технически проблемой является то, что это небезопасное занятие: в 2009 году Gulfstream V едва не погиб в облаке. Предполагается попробовать запустить в центр облака либо метеозонд (воздушный шар с детектором), либо установить детектор частиц на бронированный противотанковый штурмовик A-10, способный, как считается, пережить полет внутри грозового облака.

Как точно подмечает Дуайер, внутренние области таких облаков могут нести значительное количество феноменов, на данный момент не вполне ясных физикам. Стоит напомнить, что ранее российские ученые при участии упомянутого Александр Гуревича уже во время грозы  обнаружили очень большое количество нейтронов малых энергий. Для образования последних по фотоядерному каналу (испускание нейтронов ядрами атомов, поглотивших гамма-квант) требовалось на три порядка больший поток гамма-излучения, чем удалось зафиксировать в ходе наблюдений.


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.