Теннис с космосом

Как не раз восклицали восхищенные космонавты, наша планета – всего лишь лодочка в безбрежном океане Вселенной. Правда, чтобы на ее поверхности некие субъекты могли целоваться, ругаться и есть друг друга в прямом и переносном смыслах, природа наделила Землю мощной многоуровневой броней. Иногда ее пробивают космические пришельцы, и тогда бед не пересчитать: вымирание динозавров, шквал предложений по продаже обломков метеорита на Авито и т. п.

Однако герои нашего повествования чужды дешевых драматических эффектов. Они способны без всяких усилий «прошивать» многокилометровую атмосферу, а некоторым из них – например, нейтрино – и целая планета не помеха. Это космические лучи, хотя правильнее говорить о потоках частиц.

Их открытие произошло случайно, если так можно говорить о научном поиске. В 1912 году сотрудник Венского института радия Виктор Хесс (Victor Hess) изучал распределение ионизированных газов в атмосфере. Принципиальное объяснение к тому времени было известно: газы слабо ионизировались радиоактивными веществами, содержащимися в земной коре (да-да, «вредные» излучения пронизывают нас не только сверху, но и из-под самых ног). Логично предположить, что с подъемом степень ионизации будет убывать, что и попытался проверить Виктор Хесс, установивший детектор ионизации на аэростат.

Оказалось, что на больших высотах ионизация еще сильнее! Парадоксальный в рамках общепринятой теории факт мог быть объяснен: а) хронической неисправностью детектора, его радиоактивным загрязнением; б) ошибками наблюдателя (не так посмотрел, не туда записал и вообще); в) дополнительными, не учтенными ранее источниками ионизации. Последний вариант явно нарушал известный принцип «бритвы Оккама» о безусловном приоритете простых и естественных толкований. Однако же, после объемной серии опытов, отсекших заведомо некорректные результаты пунктов «а» и «б», стало ясно – это проделки внешнего фактора! Хорошая иллюстрация того, что в науке нет абсолютных истин: уж на что эвклидова геометрия два тысячелетия служила человечеству верой и правдой, не давая ни единого шанса усомниться в своей верности, а тем не менее оказалось, что это – всего лишь небольшая часть геометрии Гаусса-Римана, в которой, например, сумма углов треугольника лишь изредка равна 180 градусам и зависит от кривизны пространства.

Причиной ионизации был внеземной фактор. Как оказалось, таинственное излучение, вызвавшее столь серьезные расхождения с теорией, представляет собой поток протонов высокой энергии, прилетающий из космоса. За это открытие австрийский естествоиспытатель в 1936 году получил Нобелевскую премию, успев к тому времени накопить изрядную статистику и предприняв несколько попыток объяснения феномена.

Открытие Виктора Хесса нашло широчайший отклик в научной среде, и в первую очередь среди ученых, специализирующихся на физике элементарных частиц. В их распоряжении появился природный ускоритель с характеристиками, недостижимыми до сих пор даже в таких циклопических сооружениях, как Большой адронный коллайдер. Космические лучи не имеют ничего общего с электромагнитным излучением, на самом деле это мириады протонов и альфа-частиц, разогнанных до околосветовых скоростей и пронизывающих Вселенную в самых разных направлениях.

Что произойдет, когда такой протонный «снаряд» влетит в атмосферу Земли? При скользящем ударе молекулы земных газов ионизируются, и несложно понять, что при сравнительно небольшом перепаде высоты, то есть в условиях примерно одинаковой плотности воздуха, степень ионизации будет нарастать по мере подъема. (Этот факт и установил Виктор Хесс, за что честь ему и хвала!) 

А что случается при лобовом ударе? Очевидно, что ионизацией («срыванием» электронов с внешних оболочек) не обойтись, такое «космическое ДТП» приводит к драматическим последствиям. Чаще всего мишенями космических частиц становятся ядра азота и кислорода, обладающие сравнительно большой площадью эффективного сечения. Но столкновения носят не механистический характер и совершенно не похожи, например, на попадание пули в будильник. С точки зрения здравого смысла они вообще невероятны: «снаряд»-протон в результате взаимодействия претерпевает ядерные превращения и образует пучок экзотических частиц, которые условно можно считать его «деталями». Энергия ядерной «картечи» намного ниже исходной, но и ее вполне достаточно для инициирования повторных реакций, называемых «ядерным каскадом».

Большую часть ассортимента «осколков» составляют короткоживущие пионы и каоны, распадающиеся на гамма-кванты (высокоэнергичные фотоны) и порождающие, в свою очередь, пары «электрон-позитрон» (последний, кстати, и был открыт именно в космических лучах). Таким образом, единственная высокоэнергичная частица, достигшая поверхности Земли, порождает целый водопад продуктов ядерной реакции и ионизации, называемый широким атмосферным ливнем (ШАЛ) и сосредоточенный в конусе с площадью основания в несколько квадратных километров! К счастью, происходит это не так часто, как можно было бы предположить, иначе жизнь на нашей планете подверглась бы жестоким испытаниям: в квадрате 10 × 10 км такой «ливень» выпадает примерно раз в год.

Техника детектирования широких атмосферных ливней заслуживает отдельной статьи, но в наикратчайшем изложении ее базовый принцип – измерение потока света, вызываемого эффектом Черенкова (свечение заряженных частиц, движущихся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде), а также ионизацией атмосферных газов. Впрочем, в данном случае «поток света» – всего лишь общепринятый термин, на самом деле фиксируются крайне немногочисленные акты сцинтилляции (световые вспышки. – Ред).

Вопреки расхожему мнению о хроническом отставании СССР в фундаментальных исследованиях естественнонаучного цикла, советские физики отнюдь не глотали пыль за прыткими западными коллегами. Наоборот, одна из немногих действующих ныне станций, «охотящихся» за космическими лучами, – Якутская лаборатория комплексных измерений частиц сверхвысоких энергий им. Д. Д. Красильникова, расположенная в селе Октемцы в 55 км южнее Якутска, – открылась аж… в 1972 году и работает до сих пор. Конечно, с полусотней датчиков излучения Черенкова и покрываемой площадью поверхности в 10 км² она уступает юным коллегам, таким как обсерватория High-Resolution Fly’s Eye Университета Юты (США, 1981 год, в 160 км юго-западнее Солт-Лейк-Сити) и международные обсерватории: The Pierre Auger Observatory, запущенная в предгорьях аргентинских Анд в 2008 году и покрывающая территорию около 3000 (!) км², и проект The Telescope Array (США, Россия, Япония, Южная Корея и Бельгия), развернутый в пустыне штата Юта на высоте 1400 м над уровнем моря и располагающий 507 сцинтиляционными детекторами на площади 762 км².

«Охотники» за космическими лучами – вдохновляющий пример научного «комбайна», работающего в интересах нескольких дисциплин. Прежде всего это физика элементарных частиц, давно переставшая быть элементарной и все более напоминающая безумно сложный пазл, детали которого никак не стыкуются. Потоки барионов (протонов и альфа-частиц, составляющих 98 % содержимого космических лучей), летящих с околосветовыми скоростями, представляют собой результат действия сверхмощных природных ускорителей, с которыми не могут сравниться и самые дорогие земные установки.

Свой интерес в исследованиях имеют и специалисты по космологии. Преодолев сотни и сотни парсек, прежде чем выпасть на Землю атмосферным «ливнем», космические лучи прорываются сквозь гравитационные ловушки «черных дыр», облака из звездной пыли и другие препятствия, о которых мы можем только догадываться. И в определенных условиях «судовой журнал» такого фантастического путешествия может быть прочитан.

Но пристальнее всего за космическими лучами следят астрофизики, среди которых особое место принадлежит великолепному трио ученых из СССР и США. Это сотрудники ФИАН Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин и профессор Корнелльского университета Кеннет Грейзен, в середине 1960-х предсказавшие весьма интересный эффект. В самых общих чертах смысл его в следующем: космический вакуум вовсе не так пуст, как принято считать, и заполнен квантами микроволнового реликтового излучения, свидетельствующего о большой вероятности «Большого взрыва». На каждый кубический сантиметр Вселенной приходится примерно 400–450 реликтовых фотонов. 

Для высокоэнергетичных протонов (в англоязычной литературе обозначаемых забавной аббревиатурой UHECR – от Ultra High Energy Cosmic Ray) реликтовое излучение представляет «вязкую» среду, оказывающую специфическое сопротивление. Правилом буравчика здесь не обойтись, хотя формально космический луч – это поток заряженных частиц, то есть электрический ток, а реликтовые кванты – электромагнитное поле. Взаимодействия носят характер несравненно более сложный, чем перераспределение импульса и энергии, привычное для классической механики. Их результат – так называемое фоторождение пионов (или пи-мезонов), субатомных частиц (согласно прежним воззрениям, отвечающих за внутриядерные связи) и, в отличие от своих ботанических тезок, крайне недолговечных. Распад пионов приводит к появлению электронов, позитронов и нейтрино, уносящих свою толику энергии родительского протона.

Если реликтовое излучение изотропно, то есть равномерно заполняет космическое пространство (а причин сомневаться в этом пока нет), то убыль энергии будет прямо пропорциональна дистанции пробега и скорости движения (чем она выше, тем больше актов взаимодействия произойдет). Согласно расчетам, на расстояниях свыше 50 мегапарсек от источника (160 млн световых лет, что примерно соответствует масштабам так называемого суперкластера Девы, местного сверхскопления галактик, в которое входит и Млечный Путь) протоны с энергиями более 5–6 × 10¹⁹ эВ практически исчезнут, образуя в спектре космических лучей так называемый завал ГЗК (завал Грейзена-Зацепина-Кузьмина).

15 октября 1991 года детекторы лаборатории Hi-Res в Юте поймали настоящего «монстра» – частицу с чудовищной энергией 3 × 10²⁰ эВ, справедливо названную «Oh-My-God». Обилие нулей заставляет обратиться к привычным единицам: рекорд частицы-«чемпиона» – почти 50 джоулей, что сравнимо с кинетической энергией теннисного мяча или пули, выпущенной из «продвинутой» пневматики! И это на два порядка больше, чем достижения разрекламированного и перепугавшего обывателей Большого адронного коллайдера.

Статистика, накопленная за три десятилетия специализированных поисков, подтверждает существование «предела ГЗК», хотя в середине 1990-х возник любопытный парадокс: обсерватория AGASA (Akeno Giant Air Shower Array), построенная Институтом исследования космических лучей при Токийском университете (площадь покрытия 100 км², 111 сцинтиляционных датчиков Черенкова и 27 мюонных детекторов), никакого разрыва спектра космических лучей не обнаружила. Число зарегистрированных «Oh-My-God»-частиц превысило предсказанное пределом ГЗК в три раза!

Только ввод в действие новых обсерваторий с датчиками повышенной чувствительности позволил в определенной мере разрешить парадокс и накопить статистические данные, соответствующие общепринятой теории, а данные японского проекта, закрытого в 2003 году, списать на неверную интерпретацию. Окончательно снять вопрос о пределе ГЗК поможет новый международный проект JEM-EUSO (Japanese Experiment Module-Extreme Universe Space Observatory), детище японского института RIKEN и Европейского космического агентства. Особенность телескопа JEM-EUSO в том, что смотреть он будет не в космос, а вниз на Землю. Широкоугольный объектив с полем зрения 30°, снабженный тремя линзами Френеля, будет фокусировать свет на матрицу из 6000 фотоумножителей, рассчитанных на работу в ультрафиолетовом диапазоне. Телескоп сможет регистрировать вспышки атмосферных ливней размерами около километра и длительностью более 2,5 микросекунды.

Однако с практической реализацией проекта возникли проблемы. Первоначально планировалось установить телескоп на японском модуле МКС в этом году, однако NASA в конце 2014 года вышло из консорциума, ограничившись в дальнейшем информационной поддержкой. Надежда на то, что проект будет реализован в течение трех-пяти лет, появилась с подписанием протокола о намерениях между Японским аэрокосмическим агентством JASA и «Роскосмосом». А значит, полку охотников за суперчастицами может и прибавиться.