Астрономы поймали частицу Аматэрасу

Астрономы из коллаборации Telescope Array сообщили об открытии частицы Аматэрасу — частицы космических лучей сверхвысоких энергий с энергией 244 эксаэлектронвольта. При этом ученые не смогли определить возможный источник частицы — направление ее прибытия указывает на локальную пустоту в крупномасштабной структуре Вселенной. Статья опубликована в журнале Science.

Космические лучи сверхвысоких энергий представляют собой частицы из внегалактических источников с энергией более одного эксаэлектронвольта (10¹⁸ электронвольт), что примерно в миллион раз больше, чем энергия, до которой частицы разгоняются при помощи ускорителей частиц на Земле. Считается, что процессы их генерации могут быть связаны с релятивистскими джетами и оттоками от черных дыр, гамма-всплесками, вспышками активных галактических ядер или крупномасштабными ударными волнами вокруг скоплений галактики или же возникают из-за процессов, описываемых вне Стандартной модели элементарных частиц.

Поскольку частицы космических лучей обладают зарядом, то на своем пути к Земле они отклоняются галактическими и внегалактическими магнитными полями, поэтому определить их источник не так просто. Считается, что взаимодействие частиц сверхвысоких энергий с космическим микроволновым фоновым излучением будет подавлять поток частиц с энергией выше 60 эксаэлектронвольт из-за рождения пионов или фотораспада тяжелых ядер. Это явление обозначается как предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина и ограничивает максимальное расстояние до источников частиц, обнаруживаемых на Земле, 50-100 мегапарсеками. При этом ожидается, что частицы сверхвысоких энергий с энергиями выше этого порога будут меньше отклоняться магнитными полями, поэтому направление их прибытия будет теснее коррелировать с источниками.

При энергии более ста эксаэлектронвольт поток космических лучей составляет менее одной частицы в столетие на квадратный километр, из-за чего для его регистрации нужен очень обширный детектор (около тысячи квадратных километров). Энергию, массу и направление прибытия частицы можно определить путем наблюдения широкого атмосферного ливня — каскада вторичных частиц, рождающихся в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли.

Астрономы из коллаборации Telescope Array сообщили о регистрации частицы космических лучей сверхвысоких энергий с чрезвычайно высокой энергией и необычным направлением прибытия. Связанный с ней широкий атмосферный ливень был обнаружен ранним утром 27 мая 2021 года, из-за чего событие назвали частицей Аматэрасу — в честь японской богини Солнца.

Обсерватория Telescope Array представляет собой квадратную сетку из 507 детекторов космических лучей, расположенную в штате Юта на высоте 1370 метров над уровнем моря. Общая эффективная площадь детекторов составляет 700 квадратных километров, расстояние между отдельными детекторами составляет 1,2 километра.

Первоначальная расчетная энергия частицы Аматэрасу оценивается в 244±29 эксаэлектронвольт — для сравнения, Большой адронный коллайдер способен разгонять протоны до семи тераэлектронвольт. Предполагается, что частица, скорей, была протоном (или более тяжелым атомным ядром), а не фотоном. Это четвертый по уровню энергий случай регистрации — в предыдущих случаях энергии частиц составляли 320, 213 и 280 эксаэлектронвольт в 1991, 1993 и 2001 годах, соответственно.

Для исследователей любопытна не только большая энергия частицы, но и ее возможный источник, точнее — отсутствие какого-либо потенциального источника. В направлении прибытия частицы Аматэрасу нет ни одного известного астрономического объекта, который считается потенциальным источником космических лучей сверхвысоких энергий, даже после учета отклонения галактическим магнитным полем, оно попадает в область локальных пустот (войдов) в крупномасштабной структуре Вселенной. Возможные объяснения этого факта включают в себя сильное отклонение частицы магнитным полем переднего плана, источник в Местной Вселенной или неполное понимание физики элементарных частиц.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые отыскали самый мощный в Млечном Пути природный ускоритель космических лучей.