Россияне и американцы поймали космическую частицу чудовищной энергии

Принцип образования широкого атмосферного ливня

В США международная группа ученых с участием россиян зафиксировала прилет на Землю космической частицы, энергия которой сравнима с энергией летящей хоккейной шайбы. Такая же сверхмощная частица наблюдалась до этого лишь однажды — в 1991 году. Член международной команды, сотрудник Института ядерных исследования РАН (ИЯИ РАН), кандидат физ.-мат. наук Михаил Кузнецов рассказал RTVI о значении этого события, возможных последствиях для астрофизики и о том, как российские ученые вместе с японцами и американцами ловят редкие космические частицы.

Михаил Кузнецов — выпускник кафедры теоретической физики Ярославского государственного университета, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Лаборатории обработки больших данных ИЯИ РАН.

В науке интересуется в основном астрофизикой частиц, в частности физикой космических лучей, космических нейтрино, темной материи, гамма-астрономией. Занимается как теорией, так и обработкой экспериментальных данных в этих областях.

Также преподает астрофизику частиц на кафедре фундаментальных взаимодействий и космологии в МФТИ.

В журнале Science вышла статья о вашем с коллегами открытии на американской установке Telescope Array космической частицы с огромной энергией — (2,44 х 1020 электронвольт). Расскажите про первую такую частицу Oh-My-God («О боже мой»), которую открыли в США в 1991 году?

— Вокруг того наблюдения действительно был большой ажиотаж, и тоже люди рассуждали, откуда она прилетела. Есть знаменитый эффект: предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина, предсказанный вскоре после открытия реликтового излучения в 1965 году. Зацепин и Кузьмин работали в нашем институте, они основатели нашей группы по космическим лучам. Они сразу поняли, что заряженные ядра элементов, пролетая через это излучение, должны рассеиваться и, потому не могут лететь далеко. Это ведет к затуханию спектра частиц самых высоких энергий, то есть, грубо говоря, частицы с самыми высокими энергиями до нас не долетают. А если долетают, то из относительно близких областей Вселенной — до десятков миллионов световых лет.

Они могут прилетать из соседних галактик могут, но, с другой стороны, в соседних галактиках мы не знаем таких природных ускорителей, которые могут такие частицы порождать. В 1991 году еще было неизвестно, проявляется ли этот эффект, но наблюдение той частицы указывало на то, что эффекта на самом деле нет. Это вызвало большое возбуждение теоретиков, которые решили, что раз такой элегантный эффект не работает, значит, существуют какие-то чудеса, новая физика, которая мешает ему наблюдаться. Либо же у нас где-то очень близко есть источник частиц, такой чудовищной энергии. Но такой источник в нашей галактике сложно себе представить, и если бы такое было, то нас бы не было.

Энергия той частицы составляла 3 х 1020 электрон-вольт. С тех пор частицы каких энергий удавалось ловить?

Сегодня мы понимаем, что эффект ГЗК существует, и та частица была статистической аномалией. Энергии в три раза меньше уже считаются нормальным. Таких частиц было поймано разными экспериментам в разных частях света несколько десятков.

Какова роль российских ученых в эксперименте?

Это международный эксперимент. Он находится в США, в штате Юта, в пустыне, построен в основном японскими и американскими коллегами. Самая большая группа японская, американская следующая по величине, наша группа вся работает в ИЯИ РАН, она третья по размеру. До 2019 года мы туда ездили, дежурили на телескопе, а дальше была пандемия и последующие события. Мы теоретики в первую очередь, плюс мы делаем высокоуровневый анализ данных, когда уже вся экспериментальная грязь убрана, остались частицы с их направлениями и энергиями. И тут мы можем эту статистику анализировать с помощью карт Вселенной, с помощью астрофизических моделей.

Сейчас в мире построены современные два эксперимента, это наш Telescope Array и самая крупная в мире обсерватория имени Пьера Оже в Аргентине.

Как поймали новую частицу?

В 2021 году наши коллеги японские анализировали данные за очередной год, и увидели очень мощное событие, которое засветило много детекторов, они его начали анализировать и реконструировать. Telescope Array мало похож на телескоп, это такая решетка из детекторов — металлических ящиков, в которых находятся так называемые сцинтилляционные пластины, которые светятся, когда в них попадают заряженные частицы. Ящики стоят на расстоянии 1,2 км друг от друга и покрывают площадь, примерно в 700 квадратных километров. Время засветки всех детекторов обрабатывается, и фактически мы фиксируем ливень заряженных частиц, которые прилетают из космоса. Первичная частица ударяется о ядро атома где-то в верхних слоях атмосферы и порождает ливень заряженных частиц меньшей энергии, которые распределяются своеобразным конусом.

Что вам удалось выяснить про эту частицу?

С высокой вероятностью нам удалось узнать направление прилета частицы с разрешением один градус, энергию удалось узнать довольно хорошо, но уже с меньшей точностью. Тип частицы, к сожалению, сложно очень узнать путем такого анализа просто потому, что ливни, которые порождает протон и ядро железа, например, очень похожи. Несмотря на то, что мы использовали нейросеть, тип более точно определить не удалось. Единственное, нам удалось отвергнуть предположение, что это был фотон, то есть гамма-квант, поскольку он дал бы другой ливень.

Принцип работы Telescope Array

В чем же уникальность этой частицы?

В направлении ее прилета. Мы взяли карту галактик в локальной Вселенной, в сфере радиусом, примерно 750 миллионов световых лет, и посмотрели, какие галактики лежат в направлении, откуда пришла эта частица. И мы увидели, что в этом направлении ничего нет — так называемая локальная пустота.

То есть частица отклонилась, или действительно прилетела из ниоткуда?

Мы это интерпретировали как то, что она отклонилась космическими магнитными полями. Мы можем исключить, что это был протон, поскольку протон так отклониться не может.

Частица 1991 года была зафиксирована в Юте, 2021 года — на другой установке, но тоже в Юте. Две частицы это уже какая никакая статистика. Можно говорить о том, сколько за год на Землю падает таких частиц?

Конечно! Известно, что частиц с энергиями 1020 эв прилетает примерно одна штука на 100 квадратных километров за год.

Карта вселенной, красным — направление прилета мощной частицы

Сейчас почти не осталось областей науки, в которых ученые не используют машинное обучение и искусственный интеллект. Вы используете?

Используем, в этом конкретно анализе мы применяли машинное обучение для анализа типа события. В итоге исключили с высокой вероятностью, что это фотон. Эти методы помогают повышать точность измерений, угловое разрешение, различать тип частицы. Но нельзя сказать, что эти методы позволяют сделать то, чего не было до их появления.

Что можно сказать про возможный источник таких частиц?

Какие источники у таких частиц, по-прежнему неизвестно. Не только таких, но и тех, что в 10 раз менее мощные, которые называют космическими лучами ультравысоких энергий — выше 1018 эв.

Мы знаем с высокой достоверностью, что источник не в нашей галактике. Есть много моделей, которые предполагают, что источником таких частиц могут быть галактических ядра, сверхмассивные черные дыры, ударные волны гигантского масштаба в скоплениях галактик.

Темная материя?

Темная материя тоже потенциально могла бы их производить, этому как раз была посвящена моя кандидатская диссертация. Если темная материя состоит из очень массивных частиц, что является одной из моделей, то она могла бы распадаться и порождать высокоэнергичные стандартные частицы. Их можно было бы наблюдать. Но тогда бы мы видели большие потоки гамма-квантов очень высоких энергий. А мы их не видим, и это дает очень сильное ограничение на модели темной материи.

Каких открытий вы ожидаете в этой области?

Во-первых, сейчас Telescope Array проходит апгрейд, там ставятся новые детекторы, площадь будет увеличена в четыре раза. Статистика тоже вырастет сильно, и мы сможем наблюдать больший большой поток частиц и более точно делать наши утверждения. В частности, мы сможем проверять, какого типа частицы прилетают, в том числе используя методы машинного обучения, которые у нас существуют.

Есть еще одно интересное направление. Сейчас очень плохо известна величина внегалактического магнитного поля и его источники. Космические лучи, которые мы наблюдаем, отклоняются магнитными полями и их можно использовать в этом смысле как некий инструмент. То есть можно сделать их не целью а инструментом исследования магнитных полей. И если мы знаем заряд частиц космических лучей, то мы можем исследовать структуру и мощность магнитных полей, выяснять их происхождение.

Детекторы Telescope Array

Как происходит ваше сотрудничество с иностранными коллегами учитывая нынешние отношения с США?

К счастью, мы работаем, как работали и раньше, все нормально. Да, периодически бывают случаи, когда на конференциях возникают какие-то люди и во время научной дискуссии не к месту спрашивают об участии России в экспериментах. Или, например, при участии в конференции не разрешают указывать аффилиацию с Российским институтом. Но в целом у нас все по старому, надеюсь и дальше будет так же.

А что с публикациями в международных журналах?

Вот видите, Science нас опубликовал. Журналы заняли более взвешенную позицию, чем, допустим, некоторые организации, и не препятствуют публикациям российских ученых.