В 1912 году ученые обнаружили заряженные частицы, поступающие на Землю из космоса. Сталкиваясь с ядрами атмосферных газов нашей планеты, эти космические лучи производят вторичные мелкие частицы — пионы, которые затем распадаются на мюоны. Однако число последних, по неизвестным причинам, значительно превышает теоретические предсказания. Недавно исследователи из Китая предложили новое решение «мюонной загадки», объяснив избыток мюонов в космических лучах конденсацией глюонов.
Открытие космических лучей — значимое событие в истории науки — состоялось вскоре после обнаружения рентгеновских лучей и радиоактивности (в конце XIX — начале XX века). Один из их основных источников внутри Млечного Пути — взрывы сверхновых звезд: ядра различных элементов космических лучей (заряженные частицы) образуются в этих вспышках и ускоряются на ударных волнах. В метагалактике космических лучей, разумеется, больше.
Когда заряженные частицы, такие как протоны и ядра тяжелых элементов, достигают земной атмосферы и взаимодействуют с ядрами атмосферных газов, они производят пионы (вторичные частицы), которые затем распадаются на мюоны. Этот процесс ученые называют широким атмосферным ливнем. Казалось бы, все понятно, однако существующие теоретические модели не объясняют избыточного количества мюонов на поверхности Земли. Напомним, мюоны представляют собой похожие на электроны частицы с тем же спином и зарядом, но большей массой (в 207 раз). Решить эту головоломку астрофизики по-прежнему не могут.
Тем не менее исследовательская группа под руководством Биньян Лю (Bingyang Liu), Чжисиан Ян (Zhixiang Yang) и Цзяньхун Жуан (Jianhong Ruan) из Восточно-китайского педагогического университета (КНР) представила свежий взгляд на проблему с помощью модели глюонной конденсации, разработанной с помощью программного обеспечения AIRES и основанной на фундаментальных принципах квантовой хромодинамики (описывает взаимодействие кварков и глюонов). Результаты работы представлены в журнале The Astrophysical Journal.
Глюоны — это частицы, которые переносят сильное взаимодействие между кварками в ядрах атомов. В условиях ультравысоких энергий (начальный этап столкновения космических лучей с земной атмосферой), распределение этих частиц может изменяться. Модель глюонной конденсации, представленная командой ученых, предполагает, что глюоны конденсируются при определенных энергиях, что приводит к их высокой плотности при критическом импульсе.
В частности, моделирование столкновения частиц привело к увеличению числа странных кварков, после чего сразу же возросло количество каонов — самых легких частиц, образованных странным кварком (или антистранным кварком) и верхним или нижним кварком. В отличие от пионов, каоны реже распадаются на фотоны, но чаще — на мюоны и нейтрино. Этот процесс сохраняет больше энергии и приводит к избыточному производству мюонов.
Таким образом, модель глюонной конденсации объясняет наблюдаемое количество мюонов и, что немаловажно, не противоречит другим значимым параметрам, таким как глубина максимума широкого атмосферного ливня (Xmax, область и этап развития ливня, характеризующийся наибольшим количеством частиц) — последняя согласуется с экспериментальными данными.
Команда также учла различные сценарии распределения энергии между протонами и вторичными частицами и обнаружила, что при определенных условиях результаты совпадают с экспериментальными данными.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят выводы, к которым пришли авторы научной работы, текущее понимание взаимодействия частиц при экстремальных условиях изменится и окажет существенное влияние на интерпретацию данных не только в астрофизике, но и в экспериментах на таких ускорителях частиц, как Большой адронный коллайдер.
Отметим, что результаты, предложенные исследовательской группой, — важный шаг в решении «мюонной загадки», открывающий окно возможностей для дальнейших исследований и возможного пересмотра существующих моделей взаимодействия частиц.