На протяжении столетия, с тех пор как были открыты космические лучи, физики всего мира бились над разгадкой их природы — этих невероятно мощных частиц, управляющих Вселенной с экстремальными энергиями. Несмотря на многочисленные исследования, вопросы об их происхождении и механизмах возникновения оставались открытыми. Однако теперь, благодаря данным, собранным космическим телескопом DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), учёные обнаружили ключевую подсказку, которая может пролить свет на эту вековую загадку. Результаты работы, опубликованные в престижном журнале Nature, раскрывают ранее неизвестные закономерности в поведении этих частиц, что, в свою очередь, позволит исследователям лучше понять их энергетические границы.
Космические лучи, представляющие собой частицы с самой высокой энергией из когда-либо зафиксированных в природе, несут в себе заряд, значительно превосходящий энергию частиц, разогнанных даже самыми совершенными земными ускорителями. Учёные предполагают, что источником этих лучей служат самые жестокие и катастрофические события во Вселенной: взрывы сверхновых, струи, выбрасываемые чёрными дырами, а также пульсары. Запущенный в декабре 2015 года телескоп DAMPE изначально был создан для исследования природы космического пространства и поиска возможных связей с тёмной материей. В эту миссию весомый вклад внесла группа астрофизиков из Департамента физики ядер и элементарных частиц (DPNC) Женевского университета (UNIGE).
Анализируя высокоточные данные, собранные DAMPE, исследователи выявили универсальную закономерность, проявляющуюся в структуре спектров первичных ядерных лучей — начиная от лёгких протонов и заканчивая гораздо более тяжёлыми и хрупкими ядрами железа. «Космические лучи состоят в основном из протонов, а также из ядер гелия, кислорода и железа», — пояснил Андрей Тихонов, доцент DPNC факультета естественных наук UNIGE и соавтор исследования. «Эти частицы классифицируются в зависимости от их энергии: экстремально низкая — до нескольких миллиардов электронвольт; промежуточная — от нескольких миллиардов до нескольких сотен миллиардов электронвольт; и высокая — от 1000 миллиардов электронвольт и выше».
Учёные разработали теорию распространения лучей
Исследование показало, что для каждого изученного типа ядер количество частиц начинает резко падать, как только достигается определённый порог энергии. Этот феномен учёные назвали «спектральным смягчением». В обычных условиях космические лучи с более высокими энергиями становятся менее распространёнными по мере роста их энергии. Однако наблюдения DAMPE демонстрируют, что это снижение становится значительно более выраженным, чем предполагали существующие модели. Открытие этой закономерности, по мнению специалистов, может стать ключом к пониманию механизмов ускорения и распространения космических лучей, а также к разгадке их происхождения, что оставалось тайной на протяжении более ста лет.
ачительно более крутым, если жесткость составляет примерно 15 ТВ (тераэлектронвольт). Жесткость представлений, наконец, сильная сторона частиц изгибается вокруг магнитных полей.
, поскольку это же обнаружено во многих различных типах частиц, полученные данные убедительно подтверждают предположения, предполагающие, что ускорение и перемещение в пространстве контролируются жестко. В то же время данные в батареях проверяют конкурирующие объяснения, основанные на энергии нуклона (энергия, деленная на количество нуклонов в частицах). По мнению экспертов, уровень достоверности этих альтернативных моделей достигает 99,999%.
ИИ и продвинутые детекторы помогают в открытии
Исследователи из Женевы сыграли решающую роль в этом прорыве. Команда разработала сложные методы искусственного интеллекта для восстановления событий с помощью частиц, обнаруженных телескопом. Они также внесли свой важный вклад в измерение потоков протонов и гелия и оказали необходимую помощь данным по ядрам.
Кроме того, женевская группа руководила работой одного из ключевых инструментов DAMPE — кремниево-вольфрамового трекера (STK). Этот детектор необходим для точного определения траекторий частиц и определения заряда заряда при прохождении космических лучей.
Полученные результаты знаменуют собой значительный прогресс в направлении того, как приближаются космические лучи и как они направляются по галактике. Ученые говорят, что новые результаты предусматривают более жесткие ограничения на текущие модели ускорения частиц в астрофизических источниках и улучшают наше понимание того, как частицы высоких энергий движутся в межзвездном пространстве.