Одна из нерешенных задач астрофизики - природа космических лучей сверхвысокой энергии. Космические лучи - это элементарные частицы (иногда ядра), попадающие на Землю из космоса. Они имеют некое распределение по энергии, что и неудивительно: ведь такие частицы могут появляться в совершенно разных астрофизических явлениях. Однако высокоэнергетическая часть спектра космических лучей вызывает определенное беспокойство у астрофизиков. Дело в том, что элементарные частицы очень высокой энергии (выше, чем 5*10¹⁹ эВ), распространяясь в межгалактической среде, должны очень эффективно взаимодействовать с микроволновым космическим излучением (то самое излучение с температурой 4 К, которое пронизывает всю Вселенную). Другими словами, для столь энергетичных частиц Вселенная должна быть непрозрачной, мутной средой. То есть, таких частиц наблюдаться не должно! Это ограничение известно в астрофизике как граница Грайзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК).

Однако они наблюдаются! Как такое может быть? Выход только один: источник этих частиц находится не так далеко от нас, где-то в нашем скоплении галактик, но никак не на космологических расстояниях. Однако наше скопление галактик более-менее изучено и... не очень ясно, где прячется этот источник.

В свежей работе [Z.Fodor and S.D.Katz, Phys.Rev.Lett. 86, 3224 (2001)] утверждается, что энергетический спектр космических лучей выше границы ГЗК не противоречит предположению о том, что источник этих лучей - сверхмассивные метастабильные элементарные частицы, блуждающие по Вселенной и иногда забредающие в нашу галактику или скопление галактик.

В принципе, идея эта не нова и насчитывает, по крайней мере, 10 лет. Однако в более ранних работах не указывалось явно, что это могут быть за частицы. В этой же работе делается довольно смелое утверждение, что это - частицы, непосредственно участвующие в Великом Объединении: гипотезе, заключающейся в том, что на энергетическом масштабе порядка 10¹⁵ ГэВ происходит слияние сильного и электрослабого взаимодействия в одно. Насколько я понял, единственный аргумент в пользу такого вывода: масса сверхтяжелой частицы, дающая самое лучшее описание спектра, находится как раз в этом районе энергий.

Теперь - детали работы.
Авторы принимают, что их сверхмассивные частицы распадаются только на кварк-антикварковую пару, которая затем фрагментирует в адроны. Предполагается, что наблюдаемые космические лучи сверхвысокой энергии - это только протоны. Функции фрагментации (то есть вероятности того, что начальный кварк с данной энергией даст в конце данный адрон с такой-то энергией) брались из физики частиц и "эволюционировались" в помощью уравнений типа Альтарелли-Паризи вверх по шкале энергий до нужных значений. Именно фукнции фрагментации и дают спектр протонов, получаемых от распада частиц заданной массы.

Поскольку неизвестно, есть суперсимметрия или нет, то на всякий случай эволюция по Альтарелли-Паризи делалась двух типов: как в Стандартной Модели (СМ) и как в минимальном суперсимметричном расширении СМ (МССМ). Кроме того, отдельно рассматривались случаи расположения этих частиц: либо в гало нашей галактики, либо внегалактическое. Таким образом, всего рассматривалось 4 модели: гало-СМ, гало-МССМ, внегалактическая-СМ, внегалактическая-МССМ.

Брались данные по космическим лучам сверхвысоких энергий (сколько именно событий, не указано) в диапазоне энергий 5*10¹⁸ - 5*10²⁰ эВ (21 бин в логарифмическом масштабе) и строилась гистограмма спектра. На эти данные накладывалась теор. кривая, подгонялись ее параметры и находилось наименьшее значение . Типичный вид фита (точнее, самый лучший фит в модели внегалактическая-МССМ) показан на первом рисунке. Стрелка означает предел, выше которого событий не зафиксировано. Однако нуль событий все равно означает некое ограничение на поток частиц, что и показано на гистограмме.

Значения минимальных хи-квадратов для всех четырех моделей, а также значения получающихся масс сверхтяжелых частиц, приведены на втором рисунке. Видно, что особого различия между СМ и МССМ нет нигде, так что по этому критерию ничего сказать нельзя. Видно, далее, что внегалактические модели (EG) дают лучший хи-квадрат, нежели гало-модели. На основании этого утверждается, что гипотеза о гало-происхождении частиц несостоятельна.

Раз мы отбросили гало-гипотезу, то мы сразу же получаем, что масса тяжелых частиц как раз приходится на GUT-масштаб. Делается предположение, что это совпадение не случайно, а если так, то перед нами - первое экспериментальное наблюдение Великого Объединения.

Мои претензии к работе и вопросы.
1. хи-квадрат гало-моделей не так уж и плох! Я посмотрел по таблице, хи-квадрат = 25 при 21 бине и трех свободных параметрах - это достоверность гипотезы на уровне 10%, что НЕМАЛО! Я бы так лихо ее не отбрасывал!

2. Так все-таки: это правда или нет, что происхождение этих лучей не ясно? Например, есть такой человек в Бонне по имени Петер Биерманн (P.Biermann), который утверждает, что источник этих лучей - в какой-то близкой галактике. А то, что они распределены почти изотропно - это результат заворота в межгалактических полях. Каков статус этого утверждения?

3. Авторы говорят, что если не предполагать, что сверхмассивные частицы распадаются только на кварк-антикварковую пару, а считать, что есть и иные каналы распада, то это приведет к увеличению массы этой частицы. Но позвольте - тогда это значение может выпрыгнуть из приятной близости к масштабу Великого Объединения! Так что тут все еще какие-то недоработки и подпрыгивания.

4. И вообще, как-то многовато предположений... Нехорошо это...

Игорь Иванов