Некоторые вопросы происхождения и взаимодействия космических лучей сверх- и ультравысоких энергий Некоторые вопросы происхождения и взаимодействия космических лучей сверх- и ультравысоких энергий А.А.Петрухин Московский инженерно-физический институт РККЛ 2006 Содержание 1. Введение. 2. Что мы знаем сегодня? 3. "Альтернативный" подход. - спектр и состав; - взаимодействие. 4. Заключение.

Введение Введение Проблемы спектра, состава и взаимодействия космических лучей выше эВ обсуждаются почти 50 лет. Преобладающая точка зрения: Все наблюдаемые изменения спектра и состава обусловлены космофизическими причинами. Спектр и состав определяются по характеристикам ШАЛ: N e, N, X max и т.д., переход от которых к ПКЛ зависит от модели взаимодействия. При этом игнорируется тот факт, что энергия ШАЛ может быть не равна энергии первичной частицы (если есть не измеряемая в эксперименте часть энергии).

Что мы знаем сегодня? Что мы знаем сегодня?

Энергетический спектр Энергетический спектр

Средний, определенный из N /N e отношения Средний, определенный из N /N e отношения

HIRES – MIA, 1997

Некоторые выводы - 1 И спектр, и состав очень сильно зависят от модели взаимодействия. (Свежий пример – доклад С. Тер-Антоняна ) Но в космических лучах зарегистрировано много необычных событий, которые не описываются существующими моделями.

Необычные события при сверхвысоких энергиях Выстроенность Кентавры Проникающие каскады; Длиннопробежная компонента Избыток молодых ливней Большие p t Избыток мюонов высоких энергий Избыток групп мюонов Аномалии в отношении N / N e Аномалии в зависимости X max (N e ) и т.д.

Некоторые выводы - 2 Некоторые выводы - 2 В принципе все необычные события могут быть объяснены в рамках существующих представлений, но с с очень малой вероятностью их появления. Если считать, что образование излома тоже "необычное событие", то возможно мы имеем дело с новой физикой, которая начинается с этой энергии. Совпадение энергий излома спектра и начала появления необычных событий стимулирует развитие "альтернативного" подхода к объяснению имеющихся данных.

"Альтернативный" подход "Альтернативный" подход Два основных положения: Спектр и состав ПКИ единые и неизменные (естественно остается влияние Солнца, Галактики, взрывов сверхновых и т.п., но оно мало). При энергиях > (3 - 5) ПэВ (в Ц-системе 2,5 - 3 ТэВ) начинает проявляться "новое" взаимодействие. Что необходимо? Решить проблему происхождения единого спектра и недостающей энергии. Показать, как можно удовлетворить различным, порой противоречивым, требованиям при объяснении необычных событий.

Спектр без излома Спектр без излома

Спектр мюонов

Модель ускорения КЛ в плазменных пинчах - 1

Модель ускорения КЛ в плазменных пинчах - 2 Было показано (Б.А.Трубников), что энергетический спектр частиц, ускоряющихся в плазменных пинчах, имеет следующий вид: который не зависит ни от размера пинча, ни от величины тока, ни от каких-либо других параметров. Все эти параметры определяют только величину коэффициента пропорциональности.

В модели используются только хорошо известные уравнения физики плазмы. Модель не имеет свободных параметров кроме абсолютной интенсивности. Модель предсказывает единую величину показателя наклона энергетического спектра = 2.73 В модели практически отсутствуют ограничения на максимальную величину ускоряемой энергии, поэтому суммарный спектр от различных источников будет иметь тот же самый наклон. Модель ускорения КЛ в плазменных пинчах - 3

Что должна объяснить новая модель взаимодействия? Что должна объяснить новая модель взаимодействия? Большую величину порога для включения нового взаимодействия. Относительно большую величину сечения, необходимую для образования излома спектра. Большую долю энергии, передаваемой в лептонную компоненту для объяснения ненаблюдаемой энергии. Большой орбитальный момент для объяснения выстроенности. Более быстрое развитие ШАЛ, приводящее к росту отношения N / N e и замедлению роста X max (E).

Новая тяжелая короткоживущая частица (резонанс) Новая тяжелая короткоживущая частица (резонанс) Плюсы: Плюсы: 1. В соответствии с диаграммой Чу-Фрауши спин J зависит от массы M как J = 0.9 M 2, где M в ГэВ. Для M ~ 1 ТэВ, спин J будет ~ 10 6 (!) Для M ~ 1 ТэВ, спин J будет ~ 10 6 (!) 2. Такая большая величина спина J может объяснить: - большое время жизни нового резонансного состояния, которое необходимо для распада на слабовзаимодействующие W, Z-бозоны; - большое время жизни нового резонансного состояния, которое необходимо для распада на слабовзаимодействующие W, Z-бозоны; - экспериментальные данные по выстроенности. - экспериментальные данные по выстроенности. Минусы: Минусы: 1. Очень маленькое сечение образования таких частиц

Образование КГП Обеспечивает высокий порог (ТэВная область энергий в Ц-системе). Большое сечение, так как происходит переход от взаимодействия кварк-кварк к взаимодействию кварк-глюонных систем. Для выполнения других требований необходимо еще одно условие: большая величина орбитального момента.

Образование орбитального момента КГП Zuo-Tang Liang and Xin-Nian Wang, Prerpint LBNL arXiv: nucl-th/ v.4 (Apr 2005)

Орбитальный момент и центробежный барьер Орбитальный момент и центробежный барьер 1. Как показали Zuo-Tang Liang и Xin-Nian Vang, в нецентральных соударениях должна образовываться глобально поляризованная КГП с большим орбитальным моментом 2. Центробежный барьер будет меньше для тяжелых частиц (кварков и W, Z-бозонов), которые необходимы для образования лептонов.

Центробежный барьер для частиц с разными массами

Некоторые замечания о составе КЛ Некоторые замечания о составе КЛ 1. В настоящее время, состав космического излучения определяется либо по числу мюонов N, либо по величине X max, в соответствии с результатами моделирования. 2. Если образуется новое состояние материи с массой ~ 1 ТэВ, то число вторичных частиц увеличится из-за распадов W, Z-бозонов в адроны (в среднем 20 в каждом). 3. Это приведет к более быстрому развитию ливня, уменьшению X max и увеличению N. 4. Принимая во внимание недостающую энергию, вместо ШАЛа от протона будет зарегистрирован ШАЛ от ядра, но с меньшей энергией.

Как объяснить образование обратного изгиба (the ankle)? Как объяснить образование обратного изгиба (the ankle)? С увеличением энергии взаимодействия возбуждение резонансного состояния может стать таким большим, что оно начнет непосредственно распадаться на адроны. Средняя недостающая энергия и число мюонов будут уменьшаться и ШАЛ вернется к нормальному развитию.

Область недостающей энергии Область недостающей энергии

Влияние ГЗК – существующий подход Влияние ГЗК – существующий подход

Влияние ГЗК – новый подход

Две версии влияния ГЗК ?

Заключение Заключение 1.Проблемы спектра и состава ПКИ, а также взаимодействия частиц, при энергиях выше эВ не решены до сих пор. 2.Возможен новый подход, основная суть которого – изменение взаимодействия при неизменном спектре и составе ПКИ, и который объясняет все основные особенности спектра, состава и взаимодействия космических лучей в области энергий выше эВ. 3.Наилучшая (и по-видимому единственная) возможность его экспериментальной проверки – поиск избытка мюонов сверхвысоких энергий при энергиях первичных частиц выше излома.