Астрофізики запропонували нове вирішення "мюонної загадки".

Відкриття космічних променів — важлива подія в історії науки — сталося незабаром після виявлення рентгенівських променів і радіоактивності (в кінці XIX — на початку XX століття). Один з основних джерел цих променів у межах Чумацького Шляху — вибухи наднових зірок: ядра різних елементів космічних променів (заряджені частинки) формуються під час цих спалахів і прискорюються на ударних хвилях. У метагалактиці космічних променів, звичайно, більше.

Коли заряджені частинки, такі як протони та ядра важких елементів, досягають земної атмосфери та взаємодіють з ядрами атмосферних газів, вони виробляють піони (вторинні частинки), які потім розпадаються на мюони. Цей процес вчені називають широким атмосферним дощем. Здається, все зрозуміло, однак існуючі теоретичні моделі не пояснюють надмірної кількості мюонів на поверхні Землі. Нагадаємо, мюони є частинками, схожими на електрони, з таким же спіном і зарядом, але більшою масою (в 207 разів). Вирішити цю загадку астрофізикам все ще не вдається.

Проте дослідницька група під керівництвом Біньян Лю (Bingyang Liu), Чжисіан Ян (Zhixiang Yang) та Цзяньхун Жуан (Jianhong Ruan) з Східно-китайського педагогічного університету (КНР) представила новий погляд на проблему за допомогою моделі глюонної конденсації, розробленої за допомогою програмного забезпечення AIRES та заснованої на фундаментальних принципах квантової хромодинаміки (описує взаємодію кварків і глюонів). Результати роботи представлені в журналі The Astrophysical Journal.

Глюони — це частинки, які переносять сильну взаємодію між кварками в ядрах атомів. В умовах ультрависоких енергій (початковий етап зіткнення космічних променів з земною атмосферою), розподіл цих частинок може змінюватися. Модель глюонної конденсації, представлена командою вчених, припускає, що глюони конденсуються при певних енергіях, що призводить до їхньої високої щільності при критичному імпульсі.

Зокрема, моделювання зіткнення частинок призвело до збільшення кількості дивних кварків, після чого відразу ж зросла кількість каонів — найлегших частинок, утворених дивним кварком (або антидивним кварком) і верхнім або нижнім кварком. На відміну від піонів, каони рідше розпадаються на фотони, але частіше — на мюони та нейтрино. Цей процес зберігає більше енергії та призводить до надмірного виробництва мюонів.

Таким чином, модель глюонної конденсації пояснює спостережувану кількість мюонів і, що важливо, не суперечить іншим значущим параметрам, таким як глибина максимуму широкого атмосферного дощу (Xmax, область та етап розвитку дощу, що характеризується найбільшою кількістю частинок) — остання узгоджується з експериментальними даними.

Команда також врахувала різні сценарії розподілу енергії між протонами та вторинними частинками і виявила, що за певних умов результати збігаються з експериментальними даними.

Якщо подальші спостереження підтвердять висновки, до яких прийшли автори наукової роботи, поточне розуміння взаємодії частинок в екстремальних умовах зміниться і матиме суттєвий вплив на інтерпретацію даних не лише в астрофізиці, але й в експериментах на таких прискорювачах частинок, як Великий адронний колайдер.

Зазначимо, що результати, запропоновані дослідницькою групою, — важливий крок у вирішенні «мюонної загадки», що відкриває вікно можливостей для подальших досліджень і можливого перегляду існуючих моделей взаємодії частинок.