Физики нашли новый подход к объяснению расхождений между экспериментальными данными по мюонам в атмосфере и существующими расчетами. Эти нестабильные элементарные частицы рождаются от столкновений мощных космических лучей с земной атмосферой. Авторы работы выдвинули гипотезу, что причиной ошибок вычислений могла стать недооценка энергии первичного излучения. Ранее энергию определяли, опираясь на формулы Стандартной модели элементарных частиц. Выяснилось, что "новая физика" на сверхвысоких энергиях существенно искажает расчеты энергии лучей, что и объясняет несоответствия в числе регистрируемых мюонов.
Космические лучи и атмосферные ливни
Земля постоянно принимает поток высокоэнергетических элементарных частиц из космоса. В атмосфере они сталкиваются с молекулами воздуха, порождая множество вторичных частиц: протонов, нейтронов, пионов. Эти новые частицы также вовлекаются в процессы взаимодействия и распада, создавая последующие поколения. Так рождается широкий атмосферный ливень – настоящая лавина частиц, достигающая поверхности и фиксируемая детекторами.
Информационная ценность ливней и загадка мюонов
Частицы, долетевшие до Земли, несут в себе данные обо всех реакциях в верхних слоях атмосферы. Это делает их ключом к изучению космических лучей и законов физики элементарных частиц на экстремальных энергиях. Однако ученых озадачила "мюонная загадка": датчики фиксируют в атмосфере значительно больше мюонов – одного из продуктов ливней – чем предрекают современные теоретические модели.
Взгляд ученых МГУ и ИЯИ РАН
Специалисты из Института ядерных исследований РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова обратили внимание, что энергию первичных космических лучей экспериментально оценивают, измеряя количество электронов на поверхности. Они предложили, что этот метод может приводить к ошибочным выводам. Если реальная энергия частицы выше вычисленной, то и генерируемых ею мюонов должно быть больше. Именно это, по мнению исследователей, наблюдается в экспериментах.
Выход за рамки СТО: объяснение Андрея Шарофеева
«Смещение в оценке энергии может объясняться отклонениями физики на экстремальных энергиях от предсказаний Специальной теории относительности, – поясняет соавтор работы Андрей Шарофеев, аспирант МГУ и стажер-исследователь ИЯИ РАН. – Это значит, что общепринятые формулы и соотношения, связывающие энергию и импульс частиц, дают некорректные результаты. Мы предложили скорректировать данное соотношение именно для условий сверхвысоких энергий».
Моделирование и прорывное объяснение
Для проверки данной идеи физики создали математическую модель развития широких атмосферных ливней, использовав модифицированное соотношение энергия-импульс для высоких энергий. Результаты оказались впечатляющими: новая модель практически полностью снимала "мюонную загадку". Смоделированная величина эффекта от недооценки энергии прекрасно совпала с данными реальных экспериментов по ливням.
Перспективы проверки гипотезы: мнение Николая Мартыненко
«Хотя мы говорим об энергиях, колоссально превосходящих лабораторные, нашу модель можно проверить экспериментально, – отмечает другой участник проекта Николай Мартыненко, аспирант МГУ и стажер-исследователь ИЯИ РАН. – Измерив спектр мюонов на установке и сравнив его с моделью, учитывающей более высокую энергию первичной частицы, мы должны получить четкое соответствие. Если же схожести не будет, значит, наше изящное объяснение, к сожалению, неверно». Дальнейшие исследования помогут окончательно подтвердить эту перспективную модель.
Источник: indicator.ru
