AMS-02 на МКС обнаружила аномальное количество дейтронов в космических лучах

Анализируя данные, собранные с мая 2011 года по апрель 2021 года альфа-магнитным спектрометром (AMS) на борту Международной космической станции, ученые обнаружили, что прибор выявил аномальное количество космических лучей, состоящих из дейтронов, то есть атомных ядер, образованных протоном и нейтроном (тяжелый водород).

AMS, эксперимент по физике частиц, собранный в ЦЕРНе и находящийся на станции в версии AMS-02, обнаружил более 238 миллиардов космических лучей с различными типами частиц с момента начала сбора данных в 2011 году. Из них около 21 миллиона — дейтроны. Это слишком большое число, особенно по отношению к гелию-4, чем ожидали ученые.

Почему дейтроны космических лучей важны?

Космические лучи — это потоки заряженных частиц, путешествующих в космосе, и делятся на два основных класса:

1. Первичные космические лучи. Они испускаются непосредственно из космических источников, таких как взрывы сверхновых — высокоэнергетических областей Вселенной, где происходит мощный выброс звездного вещества. Эти катастрофические события дают энергию для ускорения частиц, таких как протоны, электроны и атомные ядра, до скоростей, близких к скорости света. Образовавшиеся частицы в течение тысяч или миллионов лет путешествуют по космосу, пересекая галактики и даже достигая Земли.
2. Вторичные космические лучи. Они не исходят непосредственно из космических источников. На самом деле они образуются, когда первичные космические лучи взаимодействуют с межзвездной средой, состоящей из газа, пыли и частиц между звездами. Во время этих взаимодействий происходят столкновения, в результате которых образуются новые частицы, такие как мюоны, пионы или более легкие ядра. Эти вторичные частицы могут иметь другие свойства, чем первичные, и обычно менее энергичны, поскольку часть энергии теряется при столкновении.

Схематическая диаграмма ливня космических лучей, разделенного на первичный и вторичный. Предоставлено: ЦЕРН

Среди частиц, входящих в состав космических лучей, есть дейтроны, то есть ядра дейтерия, изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона.

Их присутствие в космических лучах — важный ключ к пониманию процессов звездного нуклеосинтеза и эволюции галактик. Фактически, модели предсказывают, что дейтроны были созданы вскоре после Большого взрыва. Изучая дейтроны в космических лучах, ученые могут получить ценную информацию об энергетических условиях Вселенной и природе субатомных частиц.

Считается, что дейтроны образуются так же, как и ядра гелия-3, в результате столкновений первичных ядер гелия-4 с другими частицами в межзвездной среде. Согласно этой теории, соотношение дейтронов и гелия-4 должно быть таким же, как между гелием-3 и гелием-4.

Однако данные, собранные AMS, показали, что это не так. На самом деле, выше жесткости (параметр, измеряющий энергию заряженных частиц) в 4,5 гигавольт (ГВ) отношение дейтронов к гелию-4 ведет себя иначе, чем отношение гелия-3 к гелию-4. Вместо того чтобы уменьшаться с той же скоростью, отношение дейтронов к гелию-4 падает менее резко, что говорит о различиях в процессах образования дейтронов, чем предполагалось ранее.

Отношение числа дейтронов к числу гелия-4 по данным AMS, красным цветом, как функция кинетической энергии на нуклон, с очень разными тенденциями для двух различных моделей распространения, GALPROP — синим и USINE — зеленым.

Другой неожиданный результат проявился при жесткостях выше 13 ГВ. Здесь поток дейтронов почти идентичен потоку протонов, основных компонентов первичных космических лучей. Этот результат удивителен, поскольку протоны, будучи первичными космическими лучами, приходят непосредственно из космических источников, в то время как дейтроны, как ожидалось, являются побочными продуктами столкновений в межзвездной среде. Это означает, что дейтронов гораздо больше, чем предсказывают современные теории.

Эти результаты бросают вызов традиционным теориям образования дейтронов в космических лучах и могут привести к более глубокому пониманию динамики частиц во Вселенной. После предстоящей модернизации AMS, которая увеличит его прием на 300 %, прибор сможет измерять все заряженные космические лучи с точностью до 1 % и, таким образом, обеспечит экспериментальную основу для разработки точной теории космических лучей.

С исследованием, опубликованным в журнале Physical Review Letters, можно ознакомиться здесь.

Источник: new-science.ru