Ученые Научно-образовательного центра (НОЦ) НЕВОД НИЯУ МИФИ подвели итог десятилетнего эксперимента по изучению космических лучей сверхвысоких энергий, в результате которого обнаружили анизотропию этих лучей и определили ее параметры. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Astrophysical Journal.

Космические лучи – это частички материи, к которым относятся стабильные элементарные частицы (фотоны, нейтрино, электроны, протоны) и ядра химических элементов, летящие к нам из космоса с огромной скоростью близкой к скорости света. При энергиях порядка 10¹⁵ электронвольт траектории заряженных частиц запутываются в магнитных полях нашей Галактики и создаются условия для их диффузии, сообщил кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ Михаил Амельчаков.

«Космические лучи ведут себя подобно капле краски, попавшей в стакан с водой. Частицы «убегают» из области с большой концентрацией. Если мы наблюдаем эффект диффузии космических лучей на Земле, то с учётом суточного вращения Земли на однородном фоне потока космических лучей в пространстве, окружающем Землю, с двух противоположных сторон будут присутствовать два полюса. На одном полюсе будет избыток частиц, а на другом — их недостаток», — рассказал он.

По его словам, теория диффузного распространения космических лучей, разработанная советскими учёными, предсказывает, что космические лучи обладают анизотропией – то есть у частиц, летящих с разных направлений оказываются разные свойства и параметры. Эта анизотропия определяется вектором, направленным из центра нашей Галактики.

Ранее ученые установили, что поток космических лучей быстро уменьшается с увеличением их энергии. Интенсивность потока при сверхвысоких энергиях падает настолько, что их регистрация на спутниках (вне атмосферы Земли) и высотных аэростатах становится нерациональной. Но, попадая в атмосферу, космические лучи рождают каскады вторичных частиц, включая элементарные частицы мюоны, и эти каскады, развиваясь широким фронтом, движутся к поверхности Земли, сохраняя направление первичной частицы.

«Такое явление получило название «широкий атмосферный ливень». Достигая поверхности Земли, широкий атмосферный ливень может накрывать огромные площади, и поэтому исследования космических лучей при энергиях более 10¹⁵ эВ осуществляются на наземных установках», — рассказал Михаил Амельчаков.

Установок для исследования космических лучей около поверхности земли создано уже достаточно много в разных местах на земном шаре, и каждая по-своему уникальна. Использование различных условий и методов регистрации позволяет учёным выявлять неизвестные физические эффекты.

Одной из таких уникальных установок является координатно-трековый детектор ДЕКОР, созданный в сотрудничестве с итальянскими физиками в НИЯУ МИФИ  в Экспериментальном комплексе НЕВОД. Благодаря своей уникальной конструкции, ДЕКОР регистрирует треки мюонов в широком диапазоне зенитных углов от 0° до 90°. Мюоны обладают хорошей проникающей способностью и с хорошей точностью сохраняют направление движения первичных космических лучей.

Исследователи Экспериментального комплекса НЕВОД собирали данные для изучения анизотропии космических лучей на протяжении 10 лет, с 2012 по 2022 года.

«Мы создали и разработали ряд методов обработки данных для проведения исследования, такие как метод учёта влияния метеорологических эффектов на интенсивность групп мюонов, метод учёта конструктивных особенностей детектора и неоднородности эффективности регистрации по разным направлениям, а также метод оценки первичных энергий космических лучей. В методе оценки первичной энергии мы впервые использовали кратность зарегистрированных треков мюонов в зависимости от зенитного угла их прилёта», — отметил Михаил Амельчаков.

В результате исследователи обнаружили наличие анизотропии космических лучей при энергиях около 10¹⁵ эВ и определили ее параметры (амплитуду и направление). По словам ученых, полученные данные согласуются с результатами исследований на других установках и с теорией диффузного распространения космических лучей в направлении от центра Галактики.

Работа выполнена на Уникальной научной установке «Экспериментальный комплекс НЕВОД» при финансовой поддержке Государственного задания № 0723-2020-0040 Минобрнауки РФ, проект «Фундаментальные проблемы космических лучей и темная материя» и Государственного задания № FSWU-2023-0068, проект «Фундаментальные и прикладные исследования космических лучей».