Астрофизики представили новое решение для так называемой «мюонной загадки».

Открытие космических лучей стало значимым событием в научной истории и произошло вскоре после выявления рентгеновских лучей и радиоактивности в конце XIX — начале XX века. Один из главных источников космических лучей в Млечном Пути — это взрывы сверхновых звезд, в результате которых образуются ядра различных элементов (заряженные частицы), которые ускоряются на ударных волнах. В метагалактике количество космических лучей, конечно, больше.

Когда заряженные частицы, такие как протоны и ядра тяжелых элементов, проникают в атмосферу Земли и взаимодействуют с ядрами атмосферных газов, они производят пионы (вторичные частицы), которые затем распадаются на мюоны. Этот процесс ученые называют широким атмосферным ливнем. На первый взгляд, все выглядит понятно, однако существующие теоретические модели не объясняют избытка мюонов на поверхности Земли. Напомним, мюоны представляют собой частицы, схожие с электронами, имеющие тот же спин и заряд, но большую массу (в 207 раз). Разгадать эту загадку астрофизики пока не смогли.

Тем не менее, исследовательская группа под руководством Биньян Лю (Bingyang Liu), Чжисиан Ян (Zhixiang Yang) и Цзяньхун Жуан (Jianhong Ruan) из Восточно-китайского педагогического университета (КНР) представила новый взгляд на проблему, используя модель глюонной конденсации, созданную с применением программного обеспечения AIRES и основанную на основных принципах квантовой хромодинамики (описывающей взаимодействие кварков и глюонов). Результаты их работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Глюоны — это частицы, которые переносят сильное взаимодействие между кварками в атомных ядрах. При ультравысоких энергиях (начальный этап столкновения космических лучей с атмосферой Земли) распределение этих частиц может варьироваться. Модель глюонной конденсации, предложенная группой ученых, предполагает, что глюоны конденсируются при определенных энергиях, что приводит к их высокой плотности при критическом импульсе.

В частности, моделирование столкновения частиц привело к увеличению числа странных кварков, после чего сразу же возросло количество каонов — самых легких частиц, состоящих из странного кварка (или антистранного кварка) и верхнего или нижнего кварка. В отличие от пионов, каоны реже распадаются на фотоны, но чаще — на мюоны и нейтрино. Этот процесс сохраняет больше энергии и приводит к избыточному производству мюонов.

Таким образом, модель глюонной конденсации объясняет наблюдаемое количество мюонов и, что важно, не противоречит другим значимым параметрам, таким как глубина максимума широкого атмосферного ливня (Xmax, область и этап развития ливня, характеризующийся наибольшим количеством частиц) — последний согласуется с экспериментальными данными.

Команда также учла различные сценарии распределения энергии между протонами и вторичными частицами и обнаружила, что при определенных условиях результаты совпадают с экспериментальными данными.

Если будущие наблюдения подтвердят выводы, к которым пришли авторы исследования, текущее понимание взаимодействия частиц в экстремальных условиях изменится и окажет значительное влияние на интерпретацию данных не только в астрофизике, но и в экспериментах на таких ускорителях, как Большой адронный коллайдер.

Следует отметить, что результаты, предложенные исследовательской группой, являются важным шагом в решении «мюонной загадки», открывающим новые возможности для дальнейших исследований и потенциального пересмотра существующих моделей взаимодействия частиц.