Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год

XXI веку есть что противопоставить удивительным рисункам в пустыне Наска, рассмотреть которые как следует можно только с высоты птичьего полета. У подножия Анд, в аргентинской желтой прерии, на территории в 3 000 квадратных километров раскинулся комплекс загадочных сооружений, словно ожидающих небесных знамений от таинственных языческих божеств. Но на самом деле ученые, работающие на стыке астрономии и физики элементарных частиц, встречают здесь «посланцев» неведомых космических суперускорителей.

Проект мегаобсерватории имени Оже появился в 1991 году. Первые результаты стали получать в начале 2004 года на уже смонтированных к тому моменту детекторах. А в нынешнем году монтаж установки завершается. В законченном виде обсерватория будет включать более полутора тысяч приемных станций и 24 телескопа. Обсерватория получила свое название в честь известного французского ученого Пьера Оже (Pierre Auger) и является самым крупным на сегодня проектом, предназначенным для изучения космических частиц с гигантскими энергиями — до 1020 электронвольт и даже больше. Чтобы представить эту величину, достаточно сказать, что кинетическая энергия молекул воздуха, которые летают вокруг нас со скоростью полкилометра в секунду, составляет всего сотую долю электронвольта. На современном ускорителе можно разогнать протоны до околосветовой скорости и столкнуть их с энергией 1012 эВ (1 ТэВ). Пока это предел. И вряд ли его значение можно будет серьезно поднять в обозримом будущем. Ускорители уже являются самыми дорогими физическими приборами, а создание более мощных агрегатов потребует и вовсе астрономических затрат.

  

Пьер Виктор Оже (1899—1993) — французский ядерный физик, первооткрыватель широких атмосферных ливней

Однако во Вселенной протекают процессы (пока до конца непонятые нами), которые могут разгонять частицы до 1020 эВ и даже больше. Это десятки джоулей! По меркам микромира — колоссальная величина! Не всякий опытный теннисист сумеет приложить такую энергию к пущенному им мячу — а в микромире она приложена к одной-единственной элементарной частице (для сравнения: в теннисном мяче 1025 протонов и нейтронов). Вопрос о том, как космические лучи разгоняются до столь высоких энергий, пока остается без ответа.

Ни для кого не будет сюрпризом, что тараканов на свете больше, чем слонов. В некоторых домах популяция тараканов может превосходить всю мировую популяцию слонов. Чем крупнее животное, тем реже оно размножается. Похожая ситуация имеет место быть и в мире космических лучей. Чем выше энергия, тем реже такие частицы встречаются. Наиболее экзотические из них, с энергией быстролетящего теннисного мяча, попадают на площадку в один квадратный километр всего лишь раз в сотню лет. Чтобы регистрировать хотя бы несколько десятков суперчастиц в год, нужны гигантские комплексы детекторов.

Дети галактики

Частица может сразу родиться высокоэнергичной или же набрать энергию в процессе ускорения. В астрофизике известны два основных механизма разгона частиц. Один из них реализуется, например, в пульсарах и немного похож на работу земных ускорителей. Заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля, как бусинка на проволоке, а электрическое поле, возникающее из-за вращения замагниченной нейтронной звезды, ее разгоняет. Но у этого механизма есть предел. Чем выше становится энергия частицы, тем труднее магнитному полю ее удержать. Кроме того, частица норовит избавиться от излишка энергии, излучив его в виде электромагнитных волн. Такое излучение всегда возникает при ускоренном движении заряда, в том числе при движении по окружности или вдоль искривленных линий магнитного поля. Магнитары — очень сильно замагниченные нейтронные звезды — в принципе могли бы разгонять частицы до сверхвысоких энергий, но потери энергии на излучение все портят. Двигаясь по искривленным силовым линиям магнитного поля, частица быстро высвечивает (теряет) сообщаемую ей энергию и улетает навсегда, так и не удержав всю ту энергию, которая она могла бы «вместить».