Астрономы из коллаборации Telescope Array сообщили об открытии частицы Аматэрасу — частицы космических лучей сверхвысоких энергий с энергией 244 эксаэлектронвольта (это в 500 миллиардов раз выше, чем энергия гамма-кванта, образующегося при аннигиляции электрона и позитрона).
При этом ученые не смогли определить возможный источник частицы — направление ее прибытия указывает на локальную пустоту в крупномасштабной структуре Вселенной. Статья опубликована в журнале Science.
Космические лучи сверхвысоких энергий представляют собой частицы из внегалактических источников с энергией более одного эксаэлектронвольта (1018 электронвольт), что примерно в миллион раз больше, чем энергия, до которой частицы разгоняются при помощи ускорителей частиц на Земле. Считается, что процессы их генерации могут быть связаны с релятивистскими джетами и оттоками от черных дыр, гамма-всплесками, вспышками активных галактических ядер или крупномасштабными ударными волнами вокруг скоплений галактики или же возникают из-за процессов, описываемых вне Стандартной модели элементарных частиц.
Поскольку частицы космических лучей обладают зарядом, то на своем пути к Земли они отклоняются галактическими и внегалактическими магнитными полями, поэтому определить их источник не так просто. Считается, что взаимодействие частиц сверхвысоких энергий с космическим микроволновым фоновым излучением будет подавлять поток частиц с энергией выше 60 эксаэлектронвольт из-за рождения пионов или фотораспада тяжелых ядер. Это явление обозначается как предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина и ограничивает максимальное расстояние до источников частиц, обнаруживаемых на Земле, 50-100 мегапарсеками. При этом ожидается, что частицы сверхвысоких энергий с энергиями выше этого порога будут меньше отклоняться магнитными полями, поэтому направление их прибытия будет теснее коррелировать с источниками.
При энергии более ста эксаэлектронвольт поток космических лучей составляет менее одной частицы в столетие на квадратный километр, из-за чего для его регистрации нужен очень обширный детектор (около тысячи квадратных километров). Энергию, массу и направление прибытия частицы можно определить путем наблюдения широкого атмосферного ливня — каскада вторичных частиц, рождающихся в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли.
Астрономы из коллаборации Telescope Array сообщили о регистрации частицы космических лучей сверхвысоких энергий с чрезвычайно высокой энергией и необычным направлением прибытия. Связанный с ней широкий атмосферный ливень был обнаружен ранним утром 27 мая 2021 года, из-за чего событие назвали частицей Аматэрасу — в честь японской богини Солнца.
Обсерватория Telescope Array представляет собой квадратную сетку из 507 детекторов космических лучей, расположенную в штате Юта на высоте 1370 метров над уровнем моря. Общая эффективная площадь детекторов составляет 700 квадратных километров, расстояние между отдельными детекторами составляет 1,2 километра.
Первоначальная расчетная энергия частицы Аматэрасу оценивается в 244±29 эксаэлектронвольт — для сравнения, Большой адронный коллайдер способен разгонять протоны до семи тераэлектронвольт. Предполагается, что частица, скорей, была протоном (или более тяжелым атомным ядром), а не фотоном. Это четвертый по уровню энергий случай регистрации — в предыдущих случаях энергии частиц составляли 320, 213 и 280 эксаэлектронвольт в 1991, 1993 и 2001 годах, соответственно.
Для исследователей любопытна не только большая энергия частицы, но и ее возможный источник, точнее — отсутствие какого-либо потенциального источника. В направлении прибытия частицы Аматэрасу нет ни одного известного астрономического объекта, который считается потенциальным источником космических лучей сверхвысоких энергий, даже после учета отклонения галактическим магнитным полем, оно попадает в область локальных пустот (войдов) в крупномасштабной структуре Вселенной. Возможные объяснения этого факта включают в себя сильное отклонение частицы магнитным полем переднего плана, источник в Местной Вселенной или неполное понимание физики элементарных частиц.
Направление прибытия события 27 мая 2021 года (черный круг) и потенциальные источники космических лучей. Цветные кружки обозначают рассчитанные направления прибытия для двух моделей магнитного поля Млечного Пути. Для каждой модели разные символы обозначают направления, рассчитанные для четырех возможных первичных видов частиц: протона (красный) или ядра углерода (фиолетовый), кремния (зеленый) или железа (синий)