Мюонные «струи» на Тэватроне и мюонные «ливни» в космических лучах. Что общего?

Мюонные «струи» на Тэватроне и мюонные «ливни» в космических лучах.Что общего?

Содержание

• 1.    Вступление

• 2.    Что может порождать мюонные струи?

• 3.    Мюонная компонента в космических лучах Литература

• 1.    Вступление

  В конце 2008г. появилась публикация [1], в которой был проведен анализ наблюдений за мультимюонными событиями, обнаруженными на протон -антипротонном коллайдере Тэватрон (Фермилаб, США). В этой статье, подписанной несколькими сотнями сотрудников этой лаборатории, говорится о том, что в результате протон-антипротонных столкновений при энергии протонов порядка одного ТэВ на значительном расстоянии от оси сталкивающихся пучков происходило рождение групп мюонов. Дело в том, что в силу малого времени распада рождающихся частиц, появление таких частиц, как мюоны изначально ожидалось на расстоянии порядка миллиметра от центра пучка. Реально же их появление также происходило на удалении до 1см. и более от оси пучков и даже за пределами вакуумной трубки (радиус которой составлял 1,5см.), то есть уже в теле детектора. Статистически эти события происходили примерно в 20 % случаев (150 000 из 750 000). Кроме того, рождение мюонов происходило в различных комбинациях их заряда, например в комбинации (++ -), (- - +) или (+++), (---), а максимальное их количество достигало восьми, что

• позволяет говорить о мюонных струях. Это явление не имеет объяснений в рамках Стандартной модели элементарных частиц. В случае, если не выясниться, что этот эффект является какой-то неучтенной погрешностью эксперимента (что вряд ли, поскольку статистика очень значительна), потребуется немало усилий для его объяснения.

• 2.    Что может порождать мюонные струи?

• 3.    Мюонная компонента в космических лучах

Действительно, в рамках Стандартной модели невозможно объяснить данное явление, поскольку в ней просто не существует частиц с подобными свойствами. Что же способно порождать столь удаленные от точки столкновения мюонные струи и как это происходит? Обратимся к статье [2]. Кандидат на эту роль находится в таблице N1. Его квантовое число n=6. Как видно из таблицы, наблюдаемая частица, а именно W-бозон и виртуальная (не обладающая электрическим зарядом) при n=6 имеют одну и ту же массу, а именно 83 ГэВ. Если говорить точнее, 83ГэВ -это энергия W-состояния, а масса реального W-бозона несколько меньше ( около 80ГэВ).

При превышении определенной энергии столкновений, а именно 80 Гэв на каждый кварк сталкивающегося протона (разрыв трубок глюонного поля при столкновении и появление между каждой парой кварков дополнительной пары фактически утраивает эту энергию), все три кварка могут перейти в W-состояние и заполнить данный квантовый уровень. При этом протон может испускать до трех вышеуказанных виртуальных частиц, которые становятся не менее реальными, чем W-бозон, только не обладают электрическим зарядом (что увеличивает их проникающую способность) и в вакууме стабильны, поскольку сами являются одной из 12 градаций ненаблюдаемых частиц (или полей измененной пространственной кривизны), формирующих частицы наблюдаемой материи [3]. Однако, при взаимодействии с барионами окружающего вещества, (внутри вакуумной трубки или за ее пределами) эти частицы превращаются в наблюдаемые W-бозоны.

В 80 % случаев W-бозоны распадаются на адроны, что не вызывает мюонных событий, а в 20 % случаев распад происходит с образованием тяжелых лептонов и нейтрино, что и проявляется в конечном итоге в виде мюонных струй. Суммарный заряд образовавшихся мюонов равен нулю, а комбинации зарядов в струях могут быть различными.

Максимальное количество родившихся мюонов зависит от энергии сталкивающегося протона. Так, при энергии протона равной 3x80x3=720 ГэВ может рождаться до трех частиц с каждой стороны пучка, а при энергии в 960 ГэВ до четырех или в общей сложности до восьми. По всей вероятности при дальнейшем увеличении энергии столкновений (LHC), число мюонов будет расти пропорционально и кратно энергии 240 ГэВ.

Похоже на то, что специалисты в области космических лучей столкнулись с эффектами, сходными с недавно обнаруженными на Тэватроне, значительно раньше. Только энергетика этих процессов была намного выше.

Если вновь обратиться к вышеупомянутой таблице, то при n=5 масса ненаблюдаемой виртуальной частицы составляет 5x10**15эВ, а при n=4 соответственно 4x10**19эВ. Эти значения энергий на данный момент недоступны современным ускорителям, но для космических лучей вполне достижимы. Они удивительным образом совпадают со значениями энергий в области излома спектра космических лучей или так называемого «колена» и соответственно в области обрыва спектра, известного как предел ГЗК (Грайзена-Зацепина-Кузьмина). О существовании излома и обрыва спектра КЛ известно давно, но до сих пор их природа вызывает споры. Известно также, что в этих областях спектра наблюдается ряд аномальных явлений. Что же происходит в этих точках спектра космических лучей?

Соударение высокоэнергичных протонов, которые в основном и составляют космические лучи, происходит с практически неподвижными атомами «мишени», а не со встречным пучком, как на Тэватроне.

При энергиях порядка W- состояния нуклон можно представить как систему связанных частиц (кварков и глюонных полей), и столкновение возбуждает всю систему. При энергиях же с n=5, n=4 (и соответствующих размерах) составляющие нуклона можно воспринимать как точечные несвязанные образования. По этому рождение вышеуказанных частиц при столкновении невозможно из-за недостатка энергии, но возможно рассеяние этих частиц, входящих виртуально в состав нуклонов, на протонах столь высоких энергий.

Если энергия протона (или кварка) приблизительно равна массе данной ненаблюдаемой виртуальной частицы то, в результате столкновения эта частица приобретает часть (около половины) энергии протона, а другая часть идет на рождение частиц каскада.

Таким образом, энергия первичного протона должна существенно (в два-три раза) превышать массу виртуальной частицы и значительная часть энергии остается скрытой.

Результаты наблюдений показывают, что в случае превышения энергии первичной частицы значения 5x10**15эВ [4,5,6] происходит рост мюонной компоненты в атмосферных ливнях, по сравнению с допороговыми энергиями. Так же увеличивается доля высокоэнергичных мюонов (более 100ТэВ), как единичных, так и групп. Аналогичные эффекты возникают также и в районе энергий первичных космических лучей равному пределу ГЗК или 4x10**19эВ [7], а именно, происходит передача значительной части энергии первичной частицы в мюонную компоненту.

Это свидетельствует о появлении вторичных частиц высоких энергий с относительно высокой проникающей способностью, столкновение которых с атомами вещества приводит к образованию мюонных ливней. Такие явления, как «выстроенность» или рождение трех-четырех каскадов вдоль одной линии, «проникающие» каскады, «кентавры», образование «гало» также говорят о появлении вторичных частиц высоких энергий с большой проникающей способностью. Частичное рассеяние этих частиц на атомах среды может приводить к множественным каскадам.

У частиц, рождающихся на Тэватроне (83ГэВ), характерный размер составляет ~10**(-16)см. Их свободный пробег, по-видимому, не превышает нескольких сантиметров. Для частиц следующего ранга (n=5) он составляет в конденсированной среде десятки метров, а для частиц с n=4 соответственно десятки километров.

В конечном итоге при столкновении с атомами вещества эти частицы, взаимодействуя слабым образом, превращаются в W и Z-бозоны, которые, в свою очередь, примерно в 20% случаев распадаются на мюоны и нейтрино, образуя мюонные струи и ливни, интенсивность которых зависит от квантового числа и соответствующей энергии виртуальной частицы.

Таким образом, можно считать, что на Тэватроне была экспериментально открыта одна из частиц - «родственников» темной энергии с квантовым числом n=6.Для её появления понадобилась энергия в три раза большая, чем для рождения W-бозона. Одним из продуктов её взаимодействия с веществом явились мюоны. (Частица с квантовым числом n=7 примерно в три раза легче электрона и ей не на что распадаться.) Следует ожидать, что на Большом адроном коллайдере (LHC) данные частицы, обнаруженные на Тэватроне, будут рождаться десятками за событие. Что же касается наблюдаемых частиц, то при достижении необходимой энергии, приходящейся на кварк, на очереди появление частицы с массой равной 6 ТэВ [2].