Гигант на плечах карликов

Обсерватория имени Пьера Оже объединяет достоинства AGASA и HiRes, существенно превосходя их по масштабам. На сегодняшний день это единственный проект, который будет способен регулярно детектировать частицы сверхвысоких энергий. В аргентинской прерии будет установлено 1 600 водных черенковских детекторов. Это почти в пятнадцать раз больше числа детекторов в проекте AGASA. Каждый детектор представляет собой бак, содержащий 11 тонн дистиллированной воды. Влетая в воду, частицы ШАЛ начинают испускать так называемое черенковское излучение, впервые описанное в работах советских физиков С.И. Вавилова и П.А. Черенкова. Детекторы разбросаны по площади 3 000 км2 на расстоянии около 1,5 километра друг от друга, а небо над ними дополнительно просматривают 24 телескопа, сгруппированных в четыре станции. Каждый из этих телескопов превосходит использовавшиеся в проекте HiRes. Правда, эти телескопы могут вести наблюдения только ясными безлунными ночами, а водные детекторы работают постоянно. В итоге только около 10% частиц удается зафиксировать с помощью двух методов сразу.

Для точного определения координат на небе, откуда прилетела первичная частица, требуется с очень высокой точностью определять моменты регистрации ШАЛ различными детекторами. Для этого все они оснащены устройствами системы глобального позиционирования GPS. Эта система помимо координат, которые в данном случае не меняются, способна также передавать и точное время. Оптическая система для наблюдений флуоресценции регулярно проверяется с помощью лазеров, которые помогают контролировать состояние атмосферы, а также могут создавать вспышки с известными параметрами для тестирования наблюдательной системы.

Соединение в одном эксперименте двух подходов — использования наземных детекторов и наблюдения атмосферной флуоресценции — позволяет уменьшить неопределенность при расчете энергии частицы. Надо отметить, что это не первый случай использования гибридного подхода в наблюдениях космических лучей. Подобная установка работает, например, в Якутии. Однако обсерватория Оже гораздо больше и совершеннее. Уже сейчас, когда смонтированы еще не все детекторы, новая обсерватория сравнялась с AGASA и HiRes по объему и точности получаемых данных.

В создании обсерватории участвуют 55 научных организаций из 15 стран. Интересно отметить, что пока установки для регистрации космических лучей, даже такие гигантские, как Оже, не относятся к числу самых дорогих приборов, стоящих на вооружении современной науки. Общая стоимость проекта составляет около 50 миллионов долларов. Дело в том, что наземные детекторы достаточно дешевы, и сделать их даже в большом количестве не так уж трудно. Телескопы для наблюдения флуоресценции также гораздо дешевле своих собратьев типа телескопов Кека или VLT.

Обсерватория Оже в Аргентине — это, возможно, только первая половина всего проекта. Планировалось, что кроме южной обсерватории будет и северная — в США. Ведь чрезвычайно важно наблюдать все небо, а из Пампа-Амарилья (Pampa Amarilla) недоступна северная его часть. Зато там можно наблюдать центр нашей Галактики, который был практически недоступен для AGASA и многих других проектов в Северном полушарии. Это важно, поскольку не исключено, что происхождение космических лучей сверхвысоких энергий связано с нашей Галактикой. Однако более вероятной пока считается внегалактическая версия их происхождения.

Далекие боги-ускорители

В Галактике нет объектов, которые могли бы разгонять достаточное число частиц сверхвысоких энергий. И даже если бы они были, магнитное поле нашей звездной системы слишком слабо, чтобы удержать такие частицы. Значит, если мы ищем супермощные космические ускорители, нам надо обратить свой взор на внегалактические объекты.

Первое, что приходит в голову, — это источники космических гамма-всплесков, взрывы, похожие на вспышки сверхновых, только более мощные. Почему бы им не ускорять частицы? Но, оказывается, такие катаклизмы случаются слишком редко и не могут обеспечить необходимый темп генерации космических лучей. Поэтому в настоящее время астрофизики не возлагают на них больших надежд.

Основное внимание ученых сейчас привлекают ударные волны, связанные со струями вещества (джетами), которые выбрасываются из активных галактических ядер, а также со скоплениями галактик. Именно там возможно ускорение достаточно большого числа частиц до сверхвысоких энергий. Наиболее вероятными местами рождения суперчастиц в активных галактиках являются так называемые горячие пятна, где струя резко тормозится, сталкиваясь с окружающим веществом. Но уверенности в этом пока нет, а имеющиеся наблюдения не дают оснований утверждать, что частицы приходят со стороны известных активных галактик.

В таких обстоятельствах астрофизики начинают задумываться о более экзотических механизмах генерации космических лучей.

Охота на WIMPzill’у

Выше мы обмолвились, что частица может родиться сразу «сверхэнергичной». Для этого нужно, чтобы распалась (или аннигилировала) частица с большой массой. И здесь перед физиками открываются интереснейшие возможности: не исключено, что загадка космических лучей окажется связанной с загадкой темной материи. Ученые уже давно пытаются в лабораториях «поймать за бороду» частицы темной материи, но пока это никому не удалось. Причина в том, что эти частицы — если, конечно, они вообще существуют — очень слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому их называют WIMP (weakly interacting massive particles), что означает слабовзаимодействующие массивные частицы.

Поскольку они пока не пойманы, об их параметрах можно только строить предположения. В частности, они могут иметь очень большую массу. Для таких монстров было придумано красивое название WIMPzillа. Впервые идею о рождении космических лучей сверхвысоких энергий из-за распада очень массивных частиц рассмотрели в 1997 году В.С. Березинский с соавторами и, независимо, В.А. Кузьмин и В.А. Рубаков. Сам термин WIMPzillа начал активно использоваться примерно с 1998 года в работах Эдварда (Рокки) Колба (E. Kolb) и его соавторов.

Лидар — лазерная система зондирования атмосферы. Используется при калибровке оптических телескопов обсерватории Оже для искусственного возбуждения молекул атмосферы 

Согласно теории относительности масса эквивалентна энергии. Поэтому тяжелая частица может либо просто развалиться на несколько массивных частей, либо породить частицы с небольшой массой покоя, но с очень большой кинетической энергией. Также высокоэнергичные частицы могут образовываться при аннигиляции двух массивных частиц. Правда, согласно теории, распад и аннигиляция в основном должны порождать гамма-кванты, тогда как в космических лучах сверхвысоких энергий, по всей видимости, доминируют не фотоны, а протоны. Но однозначных данных пока нет: проекту Оже понадобится лет пять, чтобы уверенно определить долю фотонов среди высокоэнергичных частиц. Поэтому гипотеза о WIMPzill"ах продолжает обсуждаться.

WIMPzill"ы могут в большом количестве летать в гало (ближайших окрестностях) нашей Галактики. Если окажется, что ГЗК-завала в спектре космических лучей нет, а их распределение по небесной сфере примерно однородное, то именно эта гипотеза происхождения частиц сверхвысоких энергий может стать основной. Ведь источники суперчастиц придется располагать на расстоянии не более нескольких десятков мегапарсек от нас и при этом их должно быть много. В такой ситуации лучшего места, чем наше родное гало, и придумать нельзя. Но никаких «ускорителей» там быть не может. А вот WIMPzill"ы — могут. Таким образом, эта гипотеза способна одновременно объяснить и отсутствие ГЗК-завала, и отсутствие источников, и высокую степень изотропии космических лучей — при условии, конечно, что все это будет подтверждено наблюдениями на новой обсерватории имени Пьера Оже.