Каждую секунду через ваше тело на почти световой скорости проносятся частицы. Они изливаются из шторма высоко в небе, где космические лучи — мощный тип межзвёздного вещества — постоянно ударяют по атомам в атмосфере Земли. Удары разбивают их на ливень частиц, который проливается на землю.
Учёные изучают эти космические ливни более века, но у них нет точного понимания того, как они формируются. Многие исследователи ищут более ясную картину, и им даже не нужно смотреть в небо, чтобы их изучать. Вместо этого они могут использовать ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер CERN в Швейцарии.
Вместе с командой физиков-частиц я изучаю, как рождаются эти космические ливни. Мы использовали первые в мире лабораторные столкновения атомов кислорода с протонами, чтобы смоделировать космические лучи в лаборатории. Наши результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Что такое космические лучи?
В начале XX века физик Виктор Гесс обнаружил космические лучи на борту воздушных шаров. Поднимаясь на несколько километров, его приборы обнаружили, что уровень радиации неожиданно продолжает расти. Он сделал вывод, что эти лучи должны приходить из космоса, и получил за это открытие Нобелевскую премию по физике в 1936 году.
Сюрпризы на этом не закончились. Позже эксперименты показали, что это космическое излучение содержит новые виды материи, называемые антиматерией. К этим новым видам материи относились мюоны, пионы и каоны. Эти частицы похожи на электроны, протоны и нейтроны внутри атомов, но существуют мимолётно и их труднее увидеть. Эти строительные блоки материи помогли дополнить современную теорию физики частиц.
Сегодня учёные понимают космические лучи как быстро движущиеся ядра — тяжёлые центры атомов — в основном из водорода. Но открытые вопросы остаются. Откуда они берутся? Как они достигают таких высоких энергий?
Учёные находят подсказки, позволяющие предположить, что космические лучи происходят из чрезвычайно горячих и далёких областей Вселенной, выбрасываемые взрывающимися звёздами и мощными объектами, называемыми сверхмассивными чёрными дырами.
Космические лучи также полезны для других областей. В 1950-х годах учёные обнаружили, что их можно использовать для радиоуглеродного датирования древних артефактов, что произвело революцию в археологии. Совсем недавно космические лучи помогли геологам увидеть скрытые камеры действующих вулканов, а археологи используют их для обнаружения скрытых гробниц в древнеегипетских пирамидах. Эта визуализация работает путём измерения того, как порода отклоняет космические частицы, летящие в эти объекты.
Как рождаются космические ливни?
Обычный способ изучения космических ливней — размещение сотен специализированных камер на нескольких милях земли. Вместе эти камеры действуют как один телескоп. Один из крупнейших — проект Telescope Array в высокогорной пустыне Юты. Этот эксперимент видит частицы с наивысшей энергией из космоса.
Чтобы расшифровать информацию о космической материи, бомбардирующей Землю, учёные должны использовать компьютеры для моделирования ливня частиц в воздухе. Но есть давняя проблема: разные компьютерные модели различаются в своих предсказаниях о том, как формируются ливни частиц в небе.
Учёным нужно знать, какая модель, если таковая имеется, описывает реальные столкновения в небе. Чтобы выяснить это, им нужны данные. Ни один предыдущий эксперимент не приблизился к рождению этих ливней частиц, поэтому в течение нескольких лет я сотрудничал с физиком Лидией Бересфорд, чтобы обосновать необходимость перенастройки наших существующих инструментов на ускорителе CERN для изучения космических лучей.
Кислородные пучки для воссоздания космических лучей в лаборатории
1 июля 2025 года учёные в CERN впервые провели этот эксперимент. Они заставили атомы кислорода столкнуться с протонами впервые с использованием Большого адронного коллайдера, самого мощного ускорителя частиц в мире. На несколько дней они воссоздали космические ливни в лаборатории.
Большой адронный коллайдер впервые ввёл кислородные пучки в 2025 году, разогнанные почти до скорости света.
В этом новом эксперименте протонный пучок играл роль космического луча, а кислородный пучок — роль атмосферы Земли. Энергия в каждом столкновении превращалась в поток частиц, воссоздавая первые мгновения космического ливня.
На Большом адронном коллайдере несколько камер для частиц делают снимки столкновений. Одна из этих камер, над которой я работаю, называется экспериментом ATLAS. Этот гигантский инструмент размером с футбольное поле, которым совместно управляют тысячи учёных.
Высокоскоростная камера в сердце ATLAS может делать более 200 миллионов снимков в день. Она использует большой набор кремниевых сенсоров для крупноплановых портретов частиц, подобных сенсорам в камере вашего телефона.
Первые крупноплановые снимки космических ливней
Вместе с небольшой командой физиков мы проанализировали эти изображения и использовали снимки, чтобы измерить, сколько частиц создали столкновения и с какими энергиями они вылетели из столкновений. Мы смогли измерить свойства этих частиц более чем в 10 раз точнее, чем предсказывали компьютерные модели.
Наш результат поможет точно определить, сколько высокоэнергетических космических лучей состоят из водорода по сравнению с более тяжёлыми атомами. Понимание их состава может дать важные подсказки об их происхождении. Мы были рады поделиться такими ценными данными. Поэтому мы оперативно запросили обратную связь у экспертов коллаборации ATLAS, а затем получили зелёный свет на публикацию наших результатов.
Наше исследование возобновляет связи между физикой частиц и физикой высоких энергий. Обе области имеют много пересечений и общую историю, но остаются отдельными дисциплинами, и им есть чему поучиться друг у друга. Мои коллеги и я надеемся, что эти результаты улучшат знания учёных о космических ливнях и помогут разгадать самые экстремальные события во Вселенной.
Источники и материалы для дальнейшего чтения
Материал подготовлен на основе публикации Curiosmos и статьи, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Использованы данные эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере CERN, проекта Telescope Array, а также исторические материалы об открытии космических лучей Виктором Гессом.
Ваш комментарий