Более века ученые пытались разгадать тайну космических лучей — невероятно мощных частиц, проносящихся по Вселенной с экстремальной энергией. Несмотря на десятилетия исследований, многие вопросы об их происхождении и механизмах ускорения оставались без ответа. Теперь же международная команда исследователей, работающая с космическим телескопом DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), обнаружила важную подсказку. Результаты, опубликованные в авторитетном журнале Nature, указывают на общую закономерность, свойственную всем таким частицам, что может кардинально изменить наше понимание их природы.
Космические лучи — это самые высокоэнергетические частицы, когда-либо наблюдаемые в природе. Они несут гораздо больше энергии, чем частицы, создаваемые самыми мощными ускорителями на Земле. Ученые полагают, что они рождаются в результате самых violent событий во Вселенной: взрывов сверхновых, джетов черных дыр и пульсаров. Космический телескоп DAMPE, запущенный в декабре 2015 года, был специально разработан для изучения природы этих частиц и поиска возможных связей с темной материей, причем значительный вклад в миссию внесла группа астрофизиков из Женевского университета (UNIGE). В частности, если частицы темной материи существуют и могут аннигилировать или распадаться, они должны производить обычные частицы, такие как электроны, позитроны и гамма-кванты. Эти продукты могут наблюдаться как избыток в спектре космических лучей по сравнению с ожидаемым фоном от астрофизических источников, и избыток позитронов на определенных энергиях, обнаруженный несколькими экспериментами, рассматривается как возможный сигнал темной материи.
Анализируя сверхточные данные DAMPE, исследователи обнаружили универсальную закономерность в энергетических спектрах первичных ядер космических лучей — от легких протонов до тяжелых ядер железа. «Космические лучи в основном состоят из протонов, но также содержат ядра гелия, углерода, кислорода и железа, — объясняет Андрий Тихонов, доцент кафедры ядерной и физики частиц UNIGE и соавтор исследования. — Эти частицы классифицируются по энергии: низкая — до нескольких миллиардов электрон-вольт, средняя — от нескольких миллиардов до нескольких сотен миллиардов, и высокая — от триллиона электрон-вольт и выше».
Исследование показало, что для каждого типа ядер количество частиц начинает резко падать после достижения определенного порога. Этот эффект ученые называют «спектральным смягчением». В норме высокоэнергетические космические лучи встречаются реже, но наблюдения DAMPE выявили, что снижение становится драматически более крутым после жесткости примерно 15 тераэлектрон-вольт (ТэВ). Жесткость (rigidity) — это мера того, насколько трудно магнитному полю отклонить частицу от прямолинейного движения, и она вычисляется как импульс частицы, деленный на её заряд. Чем выше жесткость, тем сильнее магнитное поле требуется, чтобы изменить траекторию частицы. Поскольку эта особенность проявляется у множества разных частиц, полученные данные убедительно подтверждают теории, согласно которым ускорение и движение космических лучей в пространстве контролируются именно жесткостью.
При этом результаты практически исключают альтернативные модели, основанные на энергии на нуклон. Уровень достоверности этого опровержения достигает 99,999%. Женевские исследователи сыграли ключевую роль в открытии, разработав сложные методы искусственного интеллекта для реконструкции событий, регистрируемых телескопом, и создав один из важнейших инструментов DAMPE — кремний-вольфрамовый трекер (STK), необходимый для точного отслеживания траекторий частиц и определения их электрического заряда. Спутниковые телескопы, такие как DAMPE, работающие за пределами атмосферы, могут напрямую измерять первичные частицы, включая их заряд, энергию и направление прихода, что недоступно наземным установкам, регистрирующим только вторичные частицы из «ливней», возникающих при столкновении первичных лучей с атмосферой. Это открытие — значительный шаг вперед в понимании того, как рождаются космические лучи и как они путешествуют через галактику, накладывая более строгие ограничения на существующие модели ускорения частиц в астрофизических источниках.
Источник: After 100 years, scientists finally uncover hidden rule behind cosmic rays