Начались наблюдения на самом чувствительном детекторе космических лучей
В Китае стартовала научная программа новой установки для регистрации космических частиц LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory — крупная высокогорная обсерватория атмосферных ливней). К моменту полноценного введения в строй, что по планам должно произойти в 2021 году, LHAASO станет самым чувствительным детектором космических лучей — прилетающих из далекого космоса на Землю потоков массивных частиц высокой энергии. Об этом сообщается на официальном сайте установки.
Космические лучи — это массивные частицы, такие как протоны и ядра гелия, ускоренные до очень высоких энергий в астрофизических условиях. Среди них встречаются обладающие энергией, на много порядков превышающей доступную на сегодняшних коллайдерах. При столкновении с атомами и молекулами в атмосфере Земли такие частицы порождают каскад ядерных реакций, в результате которого на заметную площадь поверхности выпадают их продукты — широкий атмосферный ливень.
Многие вопросы о физике космических лучей по-прежнему остаются без ответа. В частности, до сих пор точно не известны их источники и особенности ускорения. Считается, что за это ответственен механизм Ферми, который теоретически позволяет разгонять частицы до высоких энергий при многократном взаимодействии с ударными волнами. Подобные условия могут возникать в расширяющихся оболочках сверхновых или в джетах активных галактик, но наблюдательных данных пока недостаточно для однозначных выводов.
Существует несколько методов изучения космических лучей, так или иначе основанных на слежении за «осколками» ядерных реакций. Одним из способов является создание черенковских телескопов. Это похожие на астрономические приборы инструменты, они также улавливают электромагнитное излучение, но не от звезд, а от заряженных частиц, движущихся в атмосфере со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. В таком случае порождается черенковское излучение, которое и регистрируют данные телескопы. Они отличаются от астрономических инструментов плохим угловым, но чрезвычайно хорошим временным разрешением, так как вспышки от частиц длятся единицы наносекунд. Также для уверенной регистрации необходимо постройка массивов таких приборов, из-за широкого конуса раствора продуктов ядерных реакций. Однако такие приборы могут помочь и классической астрономии — недавно с их помощью удалось напрямую измерить размеры двух звезд.
Другим похожим методом регистрации является изучение черенковского излучения в воде. В качестве мишени в таком случае могут использоваться как естественные водоемы (Baikal-GVD), так и специальные наполненные баки (HAWC). В таком случае регистрируется свечение, возникающее при попадании частиц в жидкость. Основная часть нового детектора LHAASO относится к последнему типу, однако в обсерваторию входят и другие инструменты, в том числе черенковские телескопы. Установка расположена на высоте в 4410 метров над уровнем моря в китайской провинции Сычуань. На данный момент завершен первый этап постройки, в рамках которого начат сбор данных с 900 приемников, расположенных на площади 22500 квадратных метров, в которых суммарно содержится 10 тысяч тонн сверхчистой воды.
С учетом вращения Земли установка сможет принимать сигнал с 60 процентов неба каждый день. Ее эффективность не зависит от времени суток, погоды, наличия Луны и других факторов, что потенциально обеспечивает непрерывный сбор статистики. В проекте участвует несколько научных учреждений из разных стран, в том числе Институт ядерных исследований РАН.
В полномасштабной LHAASO будет в три раза больше водяных цистерн на площади в 78 тысяч квадратных метров, а также 12 широкопольных черенковских телескопов, 5195 сцинтилляционных и 1171 мюонных детекторов на площади в 1,3 квадратных километра. Такая обсерватория будет регистрировать около 5 триллионов случаев соударения частиц космических лучей с атмосферой в год. Ожидаемая чувствительность для гамма-излучения высоких энергий (более 50 гигаэлектронвольт) составит около сотой краба, то есть в 100 раз меньше яркости Крабовидной туманности — стандартного объекта для изучения в данном диапазоне. Также станет возможным построение спектра источников вплоть до энергий в 50 тераэлектровольт, что является рекордными значениями.
Астрофизики лишь недавно начали получать доказательства неоднородности в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей, что должно помочь раскрыть природу их источников. Также для особого вида частиц — нейтрино — в одном удалось точно установить источник.
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.