Изучая сведения, собранные с мая 2011 года по апрель 2021 года альфа-магнитным спектрометром AMS на Международной космической станции, исследователи обнаружили аномальное количество космических лучей из дейтронов — ядер, состоящих из протона и нейтрона (тяжёлый водород).
Эксперимент AMS, изучающий физику частиц, размещенный в ЦЕРНе на станции в версии AMS-02, зарегистрировал с 2011 года более 238 миллиардов космических лучей разных типов. Среди них около 21 миллиона — дейтроны. Количество дейтронов превышает ожидания ученых, особенно по сравнению с количеством гелия-4.
В чём значение дейтронов из космических лучей?
Потоки заряженных частиц, движущихся в космическом пространстве, разделяются на две основные категории.
- Первичные космические лучи 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.
- Вторичные космические лучи не исходят из космических источников. Возникают они при взаимодействии первичных космических лучей с межзвездной средой, состоящей из газа, пыли и частиц между звездами. В результате столкновений образуются новые частицы, такие как мюоны, пионы или более легкие ядра. Эти вторичные частицы могут отличаться от первичных по свойствам и обычно менее энергичны, поскольку часть энергии теряется при столкновении.
В составе космических лучей присутствуют дейтроны — ядра дейтерия, изотопа водорода. Дейтроны состоят из протона и нейтрона.
Присутствие дейтронов в космических лучах — важный ключ для понимания процессов звездного нуклеосинтеза и эволюции галактик. 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.
Дейтроны, подобно ядрам гелия-3, образуются при столкновениях ядер гелия-4 с другими частицами в межзвездной среде. Эта теория предполагает, что соотношение дейтронов и гелия-4 будет соответствовать соотношению гелия-3 и гелия-4.
Данные AMS опровергли эту гипотезу. Действительно, выше жесткости 4,5 ГВ отношение дейтронов к гелию-4 ведет себя иначе, чем отношение гелия-3 к гелию-4. Вместо того чтобы уменьшаться с той же скоростью, оно падает менее резко, что указывает на различия в процессах образования дейтронов по сравнению с прежними предположениями.
При жесткостях свыше 13 ГВ поток дейтронов оказался почти таким же, как поток протонов — основных компонентов первичных космических лучей. Это удивительно, ведь протоны исходят непосредственно из космических источников, а дейтроны считались побочными продуктами столкновений в межзвездной среде. Следовательно, число дейтронов намного выше прогнозов современных теорий.
Данные вызывают сомнения в традиционных теориях образования дейтронов в космических лучах и могут способствовать более глубокому пониманию поведения частиц во Вселенной. После модернизации AMS, которая увеличит его прием на 300 %, прибор сможет измерить все заряженные космические лучи с точностью до 1 % и тем самым обеспечит экспериментальную основу для разработки точной теории космических лучей.
В журнале Physical Review Letters вышел новый исследовательский труд. .