В.А.Кузьмин КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ: ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

О, сколько нам мгновений чудных ...
А.С. Пушкин

Полна чудес могучая природа.
Персидский поэт 12-го века

Уж я-то этих мгновений пережил в общении с Георгием Тимофеевичем Зацепиным, будучи его студентом и аспирантом и затем всю свою жизнь, – много, много раз! ( как говорят у нас, – мешками.) (Да, боюсь, не в коня был корм.)

Я вспоминаю, например, как вскоре после обнаружения Пензиасом и Вилсоном реликтового 3^оК теплового радиоизлучения Вселенной, предсказанного Гамовым, Георгий Тимофеевич воодушевился и сразу осознал значение этого открытия для физики космических лучей. Весьма быстро (в 1966 году) нами была опубликована работа с предсказанием существования верхней границы (обрезания) энергетического спектра космических лучей при сверхвысоких энергиях, Е < 3*10¹⁰ ГэВ, вследствие взаимодействия протонов и ядер космических лучей с реликтовыми фотонами. Аналогичное предсказание сделал К.Грейзен в своей работе, появившейся примерно в то же время. (С тех пор эффект так и называется – ГЗК-эффект).

Конечно, мне тогда казалось, что эти энергии лежат так далеко, так далеко, что мы не доживём до проверки этого предсказания. Но Георгий Тимофеевич был другого мнения.

– Доживём, Вадим, увидим, – говаривал он.

И что же ? Дожили. И увидели, что ... обрезания – нет! Так, чуть-чуть наметился завал в спектре, а дальше – опять есть события.

На самых больших установках по изучению ШАЛ зарегистрированы события с энергиями, заведомо превосходящими предсказанную верхнюю границу. Самая высокая зарегистрированная энергия составляет аж 3*10¹¹ ГэВ! Никакими ошибками в определении энергии здесь, похоже, не отделаешься. Статистика событий пока невелика, но по той, что есть, анизотропии не видно. Как-будто, изотропно.

А – спектр? Опять-таки чудеса. Спектр – падающий, но наклон – изменился. Излом. Вместо крутого завала – спектр стал жёстче!

Такие дела.

Что за дьявольщина!

Эффект абсолютно железный, нет вопроса ..., если космические лучи приходят извне ГЗК – объёма с радиусом порядка 30 Мпс. (Конечно, вероятно можно грешить на нарушение Лоренц–инвариантности при больших Лоренц–факторах, больших 3*10¹⁰, но это уж совсем другая история). Значит, надо считать, что они появляются изнутри ГЗК-объёма. Магнитные поля слабы, так что частицы таких энергий приходят прямо из мест своего рождения без отклонения, можно поставить точки на небесной сфере, откуда они прут. Посмотрели в телескопы – ничего в этих местах нет. Пустые места.

Как Вам это нравится? С ума сойти, как интересно!

Здесь у нас конец куплета.

Это – вчера. И это – сегодня.

А что – завтра?

Тут начинается и вовсе захватывающая история.

Похоже, дело пахнет новой физикой. И – какой! (Сейчас все повсюду ищут эту новую физику. И ты, Брут?) Взять её можно только в физике космических лучей.

Когда-то физика космических лучей представала в двух ипостасях, имела два аспекта: физики элементарных частиц и их взаимодействий и астрофизики. Но уже давно, и чем дальше, тем больше, по понятным и объективным причинам, физика космических лучей теряла своё значение физики элементарных частиц.

Похоже, очень может статься, наступают времена, когда физика космических лучей вновь становится физикой элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий при энергиях, недоступных ускорителям, как сегодня, так и никогда. Новые горизонты! New horizonts! – как говорят у нас в Южной Африке, Троицке и некоторых других местах.

Смешно? Смешно. Да не совсем. В сказке – ложь, да в ней – намёк.

Вот какой.

Скажите, как по-Вашему, мы когда-нибудь будем иметь в лаборатории в центре масс энергии порядка Е ~ 10¹³ ГэВ? Разумеется, хорошо бы, кто бы спорил, да – не верится. На LHC в ЦЕРНе, даст Бог, в 2005 году мы (!) будем иметь 1,4*10⁴ ГэВ. Очень не слабо. Но – поменьше. Никакими встречными пучками 10¹³ ГэВ – не схлопочешь. (Ясно, что предельное ограничение идёт из того, что пучка тоньше протона – не сделаешь, а протон – тоже ведь не маленький, r ~ 10^-13 см).

Такие дела.

Теперь о наших делах.

Итак, космические лучи сверхвысоких энергий, E > E_ГЗК ~ 3*10¹³ ГэВ, идут изнутри ГЗК-объёма. Ускорять – нечем и негде. Естественно, приходит в голову мысль о другом механизме образования частиц с такой энергией. Логично. Ну, и, конечно, самое простое предположение состоит в том, что они являются продуктами распада каких-то новых, долгоживущих сверхмассивных частиц X. Эти частицы электрически нейтральны, невидимы, распределены более или менее равномерно (Вы же понимаете!) по объёму Вселенной, в том числе и внутри ГЗК-объёма, и, распадаясь, производят космические лучи сверхвысоких энергий. Вот Вам и изотропия. Вот Вам и спектр.

Вот и вся игра. Ясно и просто.

Но, постойте, постойте!

Ведь это же чудовищное дело! Нельзя же так! как сказал поэт (В.С.Высоцкий).

Населили Вселенную какими-то неизвестными, никому не нужными сверхмассивными и совершенно непонятно почему долгоживущими частицами, – и все ради чего?

То-то и оно! Здесь мы подходим к самому интересному.

Вселенная определённо прошла стадию инфляционного расширения, в результате чего её температура упала до нуля, Т = 0, и никаких частиц, никакого излучения во Вселенной не осталось кроме раздувшего её скалярного поля инфлатона. Затем, по окончании инфляции, произошло (вторичное) разогревание Вселенной до некоторой температуры Т_reheat, и тепловое заселение её всевозможными частицами, в том числе, конечно, и всеми частицами стандартной модели SU(3)*SU(2)*U(1) (кварки, глюоны, лептоны, W^+-, Z⁰, фотоны, и т.д.). А потом уже всё идёт как по маслу, стандартное расширение по Фридману, стандартный Большой Взрыв со всеми вытекающими последствиями (электрослабый фазовый переход с нарушением симметрии SU(2) _L*U(1) при Т ~ 100 ГэВ, КХД фазовые переходы при Т ~ 100 МэВ, нуклеосинтез при Т ~ 1 МэВ, рекомбинации при Т ~ 10 эВ, и кое-что ещё, чему не учат в школе, и т.п.).

Для нас с Вами крайне важно, до какой же температуры Т_reheat подогрелась Вселенная?

Во всяком случае, Т_reheat < 10 ¹⁶ ГэВ, иначе во Вселенной было бы заметное количество магнитных монополей, а их, как мы знаем, что-то не видно.

Оказывается, согласно новейшим исследованиям, температура подогрева составляет Т_reheat < 10 ¹³ ГэВ! и, nota bene, это значение кажется весьма устойчивым, почти независящим от модели.

Вы сейчас увидите, что сулит нам с Вами такая температура подогрева, к каким следствиям это может привести.

Мы изложим сейчас вкратце нашу последнюю-последнюю (в смысле, недавнюю!) спекуляцию на этот счёт.

Страшное дело!

Вселенная слегка заселяется X-частицами с массой М ~ 10¹⁴ ГэВ, так что их вклад в полную плотность в то время пренебрежимо мал. Однако, X-частицы никогда не были в тепловом равновесии с плазмой, и их концентрация по мере расширения Вселенной падает, как R^-3. В результате, сегодня они могут составлять полную массу Вселенной в виде холодной тёмной материи (CDM) с критической плотностью Омега_CDM ~ 1!

X-частицы живут космологически долго, более 10¹⁰ лет, и медленно распадаются.

А дальше-то, дальше-то,- что? товарищи, господа! Что же получается?

А – фрагментацию? - Вы,– забыли?

Фрагментация приводит к тому, что при распаде частицы с массой М образуется в среднем n вторичных частиц, n~n₀lnM, так что при М ~ 10¹⁴ ГэВ и n₀ ~ (2 to 5), имеем n ~ 100.

Таким образом, если масса X-частицы М <10¹⁴ ГэВ, то спектр вторичных частиц от её распада обрывается на Е<10¹² ГэВ! Мы стоим, таким образом, на краю обрыва! Зарегистрировав частицы с энергией Е 3*10¹⁰ ГэВ, мы вплотную подошли к краю обрыва – Е ~ 10¹¹ ГэВ! Фрагментация предсказывает нам – крутой обрыв! Ещё чуть-чуть – и полный обвал! И спектр – известен! Фрагментация! И мы знаем, что за частицы к нам приходят. Это в большинстве случаев – фотоны (электроны)!. И только в 1 проценте случаев (можно проверить!) – протоны! Ядер – нет. Вот так, мои дорогие подружки!

Вот такие штучки мы предсказываем сегодня.

Такие дела.

Поразительно! что один и тот же агент (нет! нет! не – ЦРУ! не – КГБ! – физический агент!) может объяснить как события с космическими лучами сверхвысоких энергий, так и холодную материю во Вселенной! Поистине, «полна чудес могучая природа...»

Чуть-чуть увеличим светосилу (площадь) наших установок (до, say, 10³ км²), и мы увидим – зверский обрыв в спектре ШАЛ.

Джим, спеши, мой друг, не нужно тебе сооружать Тhe Рiеrre Auger Project in Full, но – поменьше, да, – побыстрее! Не нужно тебе – 100 Млн баксов! Хватит – и половины!

ШАЛ-1000 – вперёд! Вопрос – кто раньше!

Уж очень хоц-ца увидеть этот cut-off

Друзья мои, это – что ж такое?! Ведь это ж – открывается новое! нет! – единственное окно! в пост-инфляционную эпоху разогрева Вселенной! Другого – не будет никогда! Мы можем заглянуть на 10¹⁵ по температуре (10³⁰ по времени!) глубже, чем мы думаем, что можем сегодня! Фантастика!

А откуда – такие сверхмассивные долгоживущие частицы – отдельная история. Чудеса! Просто как в Африке. Это мы (с В.А.Рубаковым) расскажем Вам в другой раз. (Вы знаете, конечно, как просто сделать сверхмассивную частицу долгоживущей.)

Георгий Тимофеевич!

Не судите меня строго!. Я всегда был увлекающимся человеком! «Скажи мне, кто твой учитель...»