Спектр космических лучей отклонился от простого степенного закона

Астрофизики обнаружили отклонение энергетического спектра космических лучей от простого степенного закона в области 166 тераэлектронвольт. Это меньше энергии первой известной аномалии в этом спектре. Статья об этом открытии опубликована в Physical Review Letters.

Земная атмосфера непрерывно подвергается воздействию космических лучей — заряженных частиц высоких энергий. Основную долю в составе космических лучей занимают протоны, но встречаются и более тяжелые элементы. Наши знания о происхождении этих лучей, механизмах их ускорения и распространения в космическом пространстве достаточно ограничены. Например, недавно ученые обнаружили неоднородность в направлении их прилета, а также недосчитались космических лучей в центральной молекулярной зоне. Более подробно о современных теориях происхождения этих лучей мы писали в материале «Да кто такой этот ваш певатрон».

Энергия частиц космических лучей лежит в диапазоне примерно от 10⁸ до 10²⁰ электронвольт. Для сравнения, максимальная достигнутая энергия на большом адронном коллайдере — 6,8 × 10¹² электронвольт на пучок. При этом энергетический спектр частиц космических лучей в широком диапазоне аппроксимируется степенной функцией. Первая известная аномалия — так называемое «колено» — находится в области нескольких петаэлектронвольт.

Теперь участники эксперимента GRAPES-3 под руководством Правата Моханти (Pravata K Mohanty) обнаружили новую аномалию в районе 166 тераэлектронвольт, что ниже энергии первого известного излома. Для изучения спектра космических лучей ученые использовали 400 пластиковых сцинтилляционных детекторов, установленных на расстоянии восьми метров друг от друга и покрывающих площадь около 25000 квадратных метров недалеко от города Ути в Индии. Помимо пластиковых сцинтилляторов физики использовали мюонный телескоп общей площадью 560 квадратных метров, который состоит из 3712 пропорциональных счетчиков. На основе данных этих детекторов астрофизики реконструировали параметры ливней частиц, которые рождаются при взаимодействии частиц космических лучей с атмосферой. Далее при помощи компьютерного моделирования ученые восстанавливали энергию самих частиц космических лучей.

В результате ученые обнаружили отклонение полученного спектра от степенного закона со значимостью 3,2 сигма в области 166 тераэлектронвольт. Это противоречит прежним представлениям о спектре космических лучей как о единой степенной функции вплоть до колена. Астрофизики полагают, что это может указывать на необходимость построения более сложных моделей, учитывающих вклад нескольких классов источников космических лучей.

Энергия космических лучей пока неподвластна ученым в земных экспериментах, поэтому их изучение представляет большой научный интерес. Ведь частицы с такими энергиями могут даже заставить Луну светиться ярче Солнца в гамма диапазоне.