CC BY
29
В.Ф. Сокуров
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ ЧАСТИЦ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
Исследование проблемы происхождения космических лучей сверх высоких энергий (КЛСВЭ) было начато в конце 50-х годов прошлого столетия. Однако в настоящее время осталось много нерешенных вопросов, например, о природе первичных частиц - протоны, ядра, другие частицы; происхождение частиц - галактическое, внегалактическое; источники излучения, механизмы ускорения частиц. Наиболее интересной остается проблема обрыва интенсивности спектра - обрезание Грейзе-на-Зацепина-Кузьмина [1].
В настоящее время зарегистрировано несколько событий с энергией частиц чуть выше 1020 эВ. Например, 11 событий эксперимента AGASA (Е0>1020 эВ), существование которых можно объяснить другой компонентой КЛСВЭ, вероятно, связанной с новой физикой. Возможно, это сверхтяжелая темная материя, новые частицы, подобные сильнодействующим нейтрино, нарушение Лоренц-инвариантности. Кроме этого, установкой Fly's Eye зарегистрировано одно событие с энергией Е0 ~ 3-1020 эВ, одно событие в эксперименте HiRes с Е0 ~ 1,8-1020 эВ. Три события зарегистрированы Якутской установкой с Е0 ~ 1 •Ю20 эВ.
Казалось бы можно говорить об отсутствии обрезания спектра. Однако, из-за небольшой статистики и ошибок в определении энергии достоверность такого вывода невысока. Кроме того, на установке HiRes спектр обрезается выше (3-5) -1019 эВ [2]. В новом эксперименте Auger [3] ливней с энергией выше 1020 эВ не зарегистрировано, хотя интенсивность достигнута уже выше, чем в AGASA.
До настоящего времени исследователи судят о спектре и составе первичного космического излучения с энергией частиц >1015 эВ по результатам взаимодействия первичных частиц с атмосферой Земли. При этом существует некая неопределенность, так как имеют место две неизвестные физические величины: поток первичных частиц и модель их взаимодействия.
В последнее время изменения в спектре и составе первичного космического излучения объясняются из анализа изменений в характеристиках ШАЛ. Например, излом энергетического спектра ШАЛ связывают с изменением спектра и состава первичного космического излучения. Это мнение обусловлено тем, что неизвестны источники и механизмы генерации энергетического спектра космических лучей во всем диапазоне энергий с показателем наклона, равным 1,7. Отсутствуют также данные ускорителей о возможных физических процессах с относительно большим сечением, необходимым для образования излома спектра.
В настоящее время изменения в характеристиках ШАЛ - поведения функций N^(Ne) и xmax(Ne) в районе излома - объясняются как результат изменения состава первичных космических лучей, однако, их можно интерпретировать и как изменение характера взаимодействия.
Пороговый характер появления необычных событий объясняют, если предположить рождение новой тяжелой частицы в виде резонансного состояния адронной материи. Например, образование кварк-глюонной плазмы при взаимодействии первичных частиц (протонов и ядер) с ядрами атомов воздуха.
Для образования КГП необходимы и высокая температура, и высокая плотность адронной материи.
Большая величина сечения получается, если учесть, что при образовании КГП происходит переход от кварк-кварковых взаимодействий к некоторому коллективному взаимодействию многих кварков.
Как показано в работе [4], в нецентральных столкновениях ионов должна образовываться глобально поляризованная кварк-глюонная плазма с большим орбитальным моментом, величина которого прямо пропорциональна энергии в системе центра масс (см. рис. 1). Следовательно, с ростом энергии взаимодействующих частиц и орбитальный момент, и величина центробежного барьера будут увеличиваться.
Рис. 1. Образование сгустка КГП в нецентральном столкновении ионов [4]. Орбитальный момент направлен по оси у
Спектр первичного космического излучения сверхвысоких энергий
Автором [4] приведены новые теоретические идеи о генерации и ускорении частиц в пинчах космической плазмы [5, 6], в которых протекает электрический ток (Рис. 2).
Вокруг такого пинча возникает круговое магнитное поле, сжимающее пинч. В результате флуктуаций в каком-либо месте пинча увеличивается магнитное поле, которое будет сильнее сжимать пинч, что приведет к быстрому уменьшению диаметра пинча и его разрыву. Частицы плазмы выдавливаются из пинча, а их энергия увеличивается при сокращении радиуса и увеличения скорости сжатия. Энергетический спектр частиц имеет степенной вид с постоянным показателем у = -(1 + ^3).
сШ/с1Е~Е-(1 + ^3).
I I
Рис. 2. Схема генерации ускоренных частиц в плазменном пинче
Спектр не имеет ограничений на максимальную ускоряемую энергию. Суммарный энергетический спектр от таких источников будет иметь такой же вид.
При этом ускоряться будут частицы, которые присутствуют в космической плазме, то есть протоны.
Данная модель показывает первичный спектр без излома. Появление же излома в измеряемом энергетическом спектре ШАЛ автор работы [4] объясняет за счет изменения характера взаимодействия частиц в области 1015 - 1016 эВ.
Автор работы [7] также основывается на предположении, что первичными частицами в спектре КЛСВЭ являются протоны. Расчет спектров протонов проводился автором [7] из предположения однородного распределения источников в пространстве. Формально вывод формулы для расчета спектра не зависит от вида распространения частиц (прямолинейного или диффузного). Аналитическое выражение для потока протонов приведено в [8, 9, 10].
В работе [7] показано, что провал спектра обусловлен рождением электрон-позитронных пар при взаимодействии первичных протонов с фотонами микроволнового фонового излучения. Этот процесс является наиболее устойчивым. Форма провала слабо зависит от того, учитываются ли такие факторы, как дискретность в распределении источников, модель распространения первичных протонов (прямолинейное или диффузное).
Данные, полученные в экспериментах по регистрации частиц сверхвысоких энергий -AGASA, HiRes, Fly's Eye, Якутск - хорошо подтверждают эту особенность в спектре.
В настоящей работе автором сделаны следующие предположения.
Часть Вселенной, доступная современным наблюдениям имеет размеры порядка 1010 св. лет. Из статистических оценок число различных галактик достигает 1011. В каждой из галактик возникают космические лучи, источниками которых могут быть взрывы сверхновых, пульсары. Рожденные частицы диффундируют к границе галактики и выходят за ее пределы в межгалактическое пространство. Согласно современным представлениям, источниками космических лучей внутри галактики являются сверхновые звезды и ядра галактик, во Вселенной - квазары, радиогалактики. Вклад космических лучей, генерируемых квазарами и радиогалактиками в 105 раз меньше полного числа галактик. Таким образом, можно считать, что основными поставщиками частиц во Вселенной являются взрывы сверхновых звезд. Причем распределение источников относительно Земли можно считать изотропным. Однако, энергия выброшенных частиц во время взрыва сверхновой не может превышать 1012 - 1013 эВ [11]. Поэтому существуют различные механизмы ускорения частиц. Из предположения, что в основном состав первичных частиц - протоны [4,7], в настоящей работе за основу принят механизм ускорения с помощью электромагнитных волн [11], рожденных в результате взрыва сверхновой звезды.
В расчет заложен механизм ускорения частиц электромагнитными волнами [11]:
E = -Kn»0-5 ,
(1)
где у = 1012 эВ - энергия выброшенных частиц после взрыва сверхновой, n - концентрация частиц в окрестности взрыва, n - концентрация частиц на уровне наблюдения:
no = N0/(4/3nRo3) ; n = N0/(4/3nR3).
(2)
N0 - полное число генерируемых частиц на расстоянии R от источника,
R0 - радиус сферы области захвата частиц электромагнитными волнами.
Из (1) и (2) получен спектр расстояний от источника генерации для потока частиц на уровне наблюдения:
R = Ro(E/ y)2/3.
(3)
Далее, расчет проводился по всей Вселенной из условия, что для данной энергии частицы генерация производится с соответствующего расстояния из сферического слоя, генерирующего
частицы с данной энергией. Учитывая обрыв спектра в области 1020 эВ, начало расчета производится для соответствующего этой энергии расстояния.
Рассчитывалось число инжектированных частиц в сферическом слое со средним радиусом, характерным расстоянию, пройденному частицей для набора данной энергии.
На примере массы средней звезды на основе экспериментальных данных о частоте взрывов сверхновых получено число инжектированных частиц в объеме Вселенной в единицу времени в результате гравитационного коллапса и эволюционирования звезды в нейтронную звезду.
% = (M/mp)•vгNг,
(4)
где vг ~ 10-2 лет-1 - частота взрывов сверхновых в Галактике, N ~ 1011 -число галактик во Вселенной, M - масса, выброшенная при взрыве сверхновой, mp _ масса протона.
На основе экспериментальных данных о частоте взрывов сверхновых получено число инжектированных частиц в объеме Вселенной в единицу времени. Рассчитывалось количество частиц в сферическом слое.
Ко Ко
ncф=(M/mp)• Vг
Кг О
(5)
где Ro - радиус Вселенной, Ri - расстояние до сферического слоя.
С учетом увеличения сферического слоя во Вселенной, генерирующего частицы с энергиями, меньшими 1020 эВ и квадратичной зависимостью интенсивности потока от расстояния, при подстановке (3) в (5), получено аналитическое выражение для интенсивности потока частиц на уровне наблюдения:
1(>Е0) = (1,0 ± 0,5>10-15Ч1023/Я)3, (м"2с"1ср"1), (4.6)
Я = (1,0 ± 0,5>1018(ЕЛ012)2/3, (см).
Было проведено математическое моделирование, результаты которого представлены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты розыгрыша спектра расстояний от взорвавшихся сверхновых. Белые точки - проекции на плоскость наблюдения взорвавшиеся сверхновые. Слева - разыгранный энергетический спектр
Проведенный расчет интенсивности представлен на рис. 4 и в таблице. Наблюдается хорошее согласие с уже имеющимися данными.
Рис. 4. Энергетический спектр и спектр расстояний от взорвавшихся сверхновых
Таблица 1
расчет
экспер.
Ел эВ R, см I(>E0), (м-2с-1ср-1) I(>E), (м-2с-1ср-1)
1015 1020 10-6 1.810-6
1016 1020,5 10-',5 10-/
1017 1021 10-у 0.5^ 10-9
1018 1022 10-12 3-10-12
1019 5-10-14 3^10-14
1020 1023 10-15 5^10-16
Получено аналитическое выражение для расчета интегральной интенсивности потока частиц с энергией более 1015 эВ. Проведенное сравнение показывает хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными данными (Таблица, рисунок).
При этом внутригалактические источники генерируют частицы с энергиями вплоть до 1018 эВ. Отсюда вывод:
1. Основной вклад в поток частиц сверхвысоких энергий вносят внутригалактические источники (~90% ).
2. Спектр может быть продолжен за пределы диапазона 1020 эВ. То есть «обрезание» спектра вероятнее всего отсутствует.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Greisen K., Phys. Rev. Lett. 16, 748 (1966); Zatsepin, Kuzmin V.A., Pisma. Zh. Experim. Theor. Phys. 4, 114 (1966).
2. Abbasi R.U., Abu-Zayyad T., J.F. Amman at el // Preprint. 2005. astro-ph/0501317.
3. Sommers P. At el // Proc. 29th ICCR. Pune 2005. V. 7. P. 387.
4. Петрухин A.A. Некоторые вопросы происхождения и взаимодействия космических лучей сверх- и ультравысоких энергий. 29-я РККЛ. М., 2006. ПКЛ.
5. Trubnikov B.A., Vlasov V.P., Zhdanov S.K. // Proc. Intern. Conf. On Plasma Physics, Delhy, eds. A.Sen and Kaw P.K. 1. 257 (1989).
6. Власов В.П., Жданов С.К., Трубников Б.А. // Письма в ЖЭТФ. 19. 581 (1989).
7. Григорьева С.И. Спектр космических лучей сверхвысоких энергий. 29-я РККЛ. М., 2006. ПКЛ.
8. Berezinsky V.S. and Grigorieva S.I., Astron. And Astroph. 198. 1 (1988).
9. Berezinsky V., Gazizov A., Grigorieva S. Phys. Lett. B 612, 147 (2005) [astro-ph/0502550].
10. Berezinsky V., Gazizov A., Grigorieva S. Hep-ph/0204357, (to be published in Pys. Rev. D).
11. Давыдовский В.Я., Сокуров В.Ф., Филиппов Ю.С. Возможный механизм ускорения космических
лучей предельно высоких энергий. ВИНИТИ. Деп. № 4769-В91, 25.12.91. М., 1991.
