Итоги десятилетнего эксперимента по изучению космических лучей сверхвысоких энергий подвели ученые Национального исследовательского ядерного университета (НИЯУ) МИФИ. Исследователи обнаружили анизотропию этих лучей и определили ее параметры.
Космические лучи – это частички материи, к которым относятся стабильные элементарные частицы (фотоны, нейтрино, электроны, протоны) и ядра химических элементов, летящие к нам из космоса с огромной скоростью близкой к скорости света. Как рассказал старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра НИЯУ МИФИ Михаил Амельчаков, при энергиях порядка 1015 электронвольт траектории заряженных частиц запутываются в магнитных полях нашей Галактики и создаются условия для их диффузии.
«Космические лучи ведут себя подобно капле краски, попавшей в стакан с водой. Частицы «убегают» из области с большой концентрацией. Если мы наблюдаем эффект диффузии космических лучей на Земле, то с учётом суточного вращения Земли на однородном фоне потока космических лучей в пространстве, окружающем Землю, с двух противоположных сторон будут присутствовать два полюса. На одном полюсе будет избыток частиц, а на другом – их недостаток», – объяснил физик.
По его словам, разработанная советскими учеными теория диффузного распространения космических лучей предсказывает, что они обладают анизотропией – то есть у частиц, летящих с разных направлений, оказываются разные свойства и параметры. Эта анизотропия определяется вектором, направленным из центра нашей Галактики.
Ранее ученые установили, что поток космических лучей быстро уменьшается с увеличением их энергии. Интенсивность потока при сверхвысоких энергиях падает настолько, что их регистрация на спутниках вне атмосферы Земли и высотных аэростатах становится нерациональной. Но, попадая в атмосферу, космические лучи рождают каскады вторичных частиц, включая элементарные частицы мюоны, и эти каскады, развиваясь широким фронтом, движутся к поверхности Земли, сохраняя направление первичной частицы.
«Такое явление получило название «широкий атмосферный ливень». Достигая поверхности Земли, широкий атмосферный ливень может накрывать огромные площади, и поэтому исследования космических лучей при энергиях более 1015 эВ осуществляются на наземных установках», – добавил Михаил Амельчаков.
Установок для исследования космических лучей около поверхности земли создано уже достаточно много в разных местах на земном шаре, и каждая по-своему уникальна. Использование различных условий и методов регистрации позволяет учёным выявлять неизвестные физические эффекты.
Одна из таких установок – координатно-трековый детектор ДЕКОР, созданный в сотрудничестве с итальянскими физиками в НИЯУ МИФИ в Экспериментальном комплексе НЕВОД. Благодаря своей уникальной конструкции, ДЕКОР регистрирует треки мюонов в широком диапазоне зенитных углов от 0° до 90°. Мюоны обладают хорошей проникающей способностью и с хорошей точностью сохраняют направление движения первичных космических лучей.
Исследователи Экспериментального комплекса НЕВОД собирали данные для изучения анизотропии космических лучей на протяжении 10 лет, с 2012 по 2022 года.
Они создали и разработали ряд методов обработки данных для проведения исследования, в частности, метод учета влияния метеорологических эффектов на интенсивность групп мюонов, и метод оценки первичных энергий космических лучей.
«В методе оценки первичной энергии мы впервые использовали кратность зарегистрированных треков мюонов в зависимости от зенитного угла их прилета», – отметил Михаил Амельчаков.
В итоге физики обнаружили наличие анизотропии космических лучей при энергиях около 1015 эВ и определили ее параметры (амплитуду и направление). По словам ученых, полученные данные согласуются с результатами исследований на других установках и с теорией диффузного распространения космических лучей в направлении от центра Галактики.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal.
