Как еще можно объяснить лишние мюоны в атмосфере
Аспирант физического факультета МГУ и сотрудник Института ядерных исследований РАН Николай Мартыненко иногда пишет для N + 1 новости и статьи по физике. Недавно поводом для очередной такой новости могла стать статья, написанная при участии самого Николая, в которой он и его коллеги предложили необычное решение «мюонной загадки».
Физики нашли неочевидное объяснение, почему некоторые обсерватории на Земле регистрируют намного больше мюонов атмосферного происхождения, чем предсказывают современные модели. И вместо новостной заметки соавтор статьи в своем блоге подробно рассказывает о коллайдере прямо над нашими головами, об изящной попытке ученых разгадать головоломку физики высоких энергий и о том, какие ограничения есть у предложенного решения.
Если вы мечтали иметь в доступе адронный коллайдер, есть хорошие новости: брать кредит на миллиард долларов или устраиваться на работу в ЦЕРН вовсе не обязательно. Коллайдер работает прямо над вашей головой: ускоренные в космосе до огромных, практически макроскопических, энергий протоныОни относятся к адронам, сильно взаимодействующим элементарным частицам. и более тяжелые атомные ядраЭто с точки зрения частиц связанные состояния из нескольких адронов — протонов и нейтронов. регулярно бьют по ядрам элементов земной атмосферы и порождают целую лавину из дочерних частиц — широкий атмосферный ливень (ШАЛ).
Этот природный коллайдер впечатляет, так как открывает исследователям доступ к процессам при таких высоких энергиях, которых сегодня нельзя достичь даже на самых передовыхСегодня энергетический предел возможностей человечества — протон-протонные столкновения на Большом адронном коллайдере с энергией в системе центра масс около 14 тераэлектронвольт; в наиболее энергичных ШАЛ этот параметр на порядок выше. установках. Тут возникает закономерный вопрос — если все так просто, зачем вообще понадобились дорогостоящие эксперименты? Загвоздка в том, что в отличие от рукотворных коллайдеров, которые относительно подвластны ученым, в случае ШАЛов мы совершенно ничего не контролируем: не знаем, где и когда именно случитсяПри наиболее высоких энергиях первичных частиц и площади детектора порядка квадратного километра ждать ливень приходится порядка года. ливень, и не можем непосредственно измерить параметры первичной частицы, породившей ШАЛ. Возможности ограничены детекцией дочерних частиц, достигших уровня детектора и регистрацией света из атмосферы: черенковскогоЭто свет, который излучают заряженные частицы в составе ШАЛ, летящие быстрее фазовой скорости света в воздушной среде. и флуоресцентногоЭтот свет излучают атомы воздуха, ионизованные заряженными частицами ливня..
Получается, что дорога к высоким энергиям не такая уж и простая — хоть природный коллайдер и работает исправно, для наблюдения доступны только косвенные следы ливней. Чтобы дотянуться до желанной информации о процессах при высоких энергиях, приходится прокручивать развитие ШАЛ задом наперед — от зарегистрированного сигнала к первичной частице. Сделать это возможно с помощью компьютерных симуляций, причем правильно смоделировать нужно не только развитие ливня в атмосфере, но и работу детектора. Если второе, с некоторыми оговорками, достижимо, то первое — затруднительно: чтобы правильно смоделировать ливень, нужно знать, что происходит в первых, наиболее высокоэнергичных взаимодействиях ШАЛ, а узнать, какими были эти первые взаимодействия, можно только с помощью правильно построенной модели.
Чтобы выйти из порочного круга, приходится делать допущения: экстраполировать знания о процессах при доступных в лаборатории условиях в область высоких энергий и типичных для атмосферы частиц-участников реакцийДля атмосферы наиболее интересны реакции протона или нейтрона с ядрами азота или кислорода, тогда как на Большом адронном коллайдере, например, сегодня изучаются протон-протонные столкновения.. А потом — проверять результаты на самосогласованность: грубо говоря, реконструировать параметры ШАЛ, моделировать его снова, уже в прямом направлении, и смотреть, сходятся ли смоделированные измерения с настоящими.
Желанной самосогласованности, увы, достичь пока не получается. Уже десятки лет существует так называемая «мюонная загадка» (muon puzzle): число мюонов, зарегистрированное детекторами, для множества обсерваторийДля множества, но все-таки не для всех — и это дополнительно усложняет проблему. оказывается в реальности выше, чем предсказывают симуляции. А значит, мы что-то неправильно моделируем, причем что именно — сказать довольно сложно, ведь все результаты симуляций зависят одновременно от всех допущений, принятых и в модели ШАЛ, и в модели детектора.
На данный момент физики предприняли множество попыток объяснить избыток мюонов, причем большинство из них касается моделей адронных взаимодействий при высоких энергиях. Мотивация простая: мюоны в основном рождаются в распадах легких нестабильных адронов — мезонов. Значит, нужно наработать побольше таких частиц, рождающихся преимущественно в адронных взаимодействиях. Стало быть, разгадка кроется где-то в этой области. Но как ни парадоксально, адронных моделей построено и изучено уже много, а ответа на мюонную загадку пока нет…
Чуть больше года назад автор этих строк моделировал у себя на компьютере не совсем обычный сюжет: «лишние» мюоны мы со старшими коллегами искали не в адронном, а в электромагнитном кусочке ливня, то есть в компоненте, которая не чувствительна к адронным моделям.
Код был готов и даже работал, симуляции ШАЛ считались одна за одной… Одним словом, все было неплохо — за исключением, что традиционно для мюонной проблемы, отсутствия удовлетворительного результата. Наработать много мюонов за счет небольшого изменения допущений в симуляцию никак не удавалось.
Размышления над этой незадачей прервал коллега-одногруппник, который работал с тем же научным руководителем, но занимался совсем другим, куда более теоретическим сюжетом — нарушением Лоренц-инвариантности при высоких энергиях. Нашему общему руководителю и пришла в голову замечательная идея: что, если два сюжета — об избытке мюонов и о нарушении симметрии Лоренца — могут быть связаны?
Дело в том, что при сценарии Лоренц-нарушения оказывается резко подавлена вероятность рождения электрон-позитронной пары при встрече фотона высокой энергии и атома-мишени. В ШАЛ такие реакции очень важны: это основной канал взаимодействия высокоэнергичных фотонов с воздухом. Получается, при достаточно низком энергетическом масштабе Лоренц-нарушения картина развития ливня существенно изменится. Фотоны высоких энергий, которые рождаются в первых взаимодействиях ШАЛ, перестанут создавать лавину вторичных электромагнитных частиц, а вместо этого станут взаимодействовать с ядрами и возвращать свою энергию в адронную компоненту ливня, пролетая при этом стократно большие расстояния без взаимодействия. В этом случае на уровне земли, у детекторов, мы зарегистрируем значительно меньше электронов и позитронов, которые должны были бы родиться в электромагнитном каскаде.
Разумеется, недосчитавшись этих частиц, в любом нормальном эксперименте не станут думать о нарушении Лоренц-инвариантности. Вместо этого отработает стандартная процедура реконструкции, которая даст простой и логичный ответ: в ШАЛ маловато электроновДолю энергии, которую они должны уносить, мы знаем., значит энергия первичной частицы ливня не очень-то и большая.
Эту заниженную оценку энергии первичной частицы ученые внесут в заготовленные симуляции и обнаружат, что мюонов при такой энергии должно было бы рождаться меньше, чем зарегистрировано на самом деле. И вновь придется сетовать на избыток мюоннов, который на самом деле является недостатком электронов!
Что любопытно, экзотическое предложение о нарушении Лоренц-инвариантности можно было легко смоделировать, пользуясь практически готовым кодом: и в моей задаче (где все было готово, но ничего не получалось), и в новой (где еще ничего не было готово, но уже все получалось) речь шла о модификации вероятностей взаимодействия фотонов с воздухом.
Оказалось, что модели с нарушением Лоренц-инвариантности, в которых получаются правдоподобные числа «лишних» мюонов, не исключены другими экспериментами. Более того, в нашем анализе мы смогли ограничитьЗная, что мюонный избыток все-таки не слишком большой. параметр Лоренц-нарушения — при этом новая граница области запрещенных параметров оказалась на порядок строже предшествующих ограничений.
Получается, если посмотреть на электромагнитный фрагмент ШАЛ, то мюонную загадку может объяснить совсем простенькая модель всего с одним параметром. Так и хочется забросить годы работы над тяжеловесными и непонятными адронными моделями — ведь появилось простое и изящное решение! Но так ли это на самом деле?
Конечно, радоваться экзотическому объяснению и бросать работу над громоздкими решениями мюонной загадки пока рано.
Во-первых, все наши вычисления — почти качественные. Мы пренебрегаем всевозможными деталями об устройстве детектора и закладываем очень упрощенные, нереалистичные допущения: будто бы энергия реконструируется только по количеству электронов, а мюоны регистрируются вообще все, с порога по энергии в один гигаэлектронвольт. В реальных экспериментах все куда сложнее: реконструкция включает в себя больше параметровПричем иногда, как справедливо возражали некоторые читатели, не включает вообще измерения электрон-фотонной компоненты., а мюоны в детектор попадают далеко не все, поэтому важно учитывать их пространственное распределение и глубину регистрации.
Во-вторых, в науке мы вообще не живем в парадигме подтверждений. Нельзя сказать, что если решение с Лоренц-нарушением подходит к задаче, то это и есть правильный ответ. Простой и изящный? Да. Но не гарантированно правильный. Вполне может найтись и другой, менее экзотический сценарий, который тоже объяснит мюонную загадку ШАЛ. Вполне вероятно, что избыток мюонов — следствие нескольких причин, а не одной. Или вообще мюонная загадка разрешится сама собой после очередного обновления в моделировании детекторов.
В каком-то смысле мы, напротив, существуем в парадигме опровержений: мы отвергаем гипотезы с некоторой вероятностью. Так, значительное Лоренц-нарушение на низком масштабе энергий с большой долей вероятности можно отвергнуть, потому что оно давало бы совсем ужасный мюонный избыток. А остальное отмести мы пока, увы, не можем.
Так что мюонный избыток все еще остается головоломкой для физиков, а наша с коллегами попытка решения — не более чем любопытной иллюстрацией того, как изящно и глубоко могут переплетаться совершенно, на первый взгляд, разные и независимые сюжеты в физике высоких энергий.