Юрий Анатольевич Фомин - доктор физико-математических наук, Борис Аркадьевич Хренов - доктор физико-математических наук, сотрудники НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ.

Ученые надеются, что смогут экспериментально исследовать состояние вещества, каким оно было в первые мгновения после "Большого Взрыва"

СТРЕМИТЕЛЬНО движется хоккеист, передача шайбы, еще передача. Как быстро ускоряется шайба, непостижимо точны движения хоккеиста. И вот последний бросок - шайба влетает в ворота. Ее скорость больше 100 км/час; при массе 200 г - это сгусток энергии!

Среди миллионов зрителей, получающих удовольствие от игры - этого удивительного перехода от кажущегося хаоса быстрых передач шайбы к точнейшему броску по воротам - есть люди, для которых это не единственный способ наблюдать подобную красоту движения, ускорения и неожиданного освобождения из хаоса. Речь идет о физиках, изучающих игру природы - "игру Богов" с космическими шайбами-частицами, движущимися во Вселенной. Роль хоккеистов выполняют массивные гиганты - плазменные "облака", в которых вещество связано в единую систему заряженных частиц и магнитных полей. Перебрасывая заряженную частицу - обычно это всем известный протон - от облака к облаку природа ускоряет их до неимоверных энергий. Мы говорим "до энергий", а не до "скоростей", так как скорость протона не может быть выше скорости света - таковы правила игры. С каждым броском протон приобретает дополнительный импульс (масса, умноженная на скорость). Получается, что при скорости, близкой к скорости света, протон становится все массивнее. В итоге при ничтожно малой массе "покоя" протона в таком природном ускорителе импульс протона достигает значений импульса шайбы в хоккейном матче. Такие протоны и другие более тяжелые ядра (от ядер гелия до ядер железа), ускоренные природными объектами Вселенной, назвали "космическими лучами сверхвысокой энергии".

Есть исследователи, которые посвятили всю жизнь изучению астрофизики и физики космических лучей. Дмитрий Скобельцын и его коллеги - Георгий Зацепин, Сергей Вернов, Александр Чудаков - создали русскую экспериментальную школу физики космических лучей и астрофизики. После открытия Скобельцыным в 1937 г. ливней частиц в камере Вильсона и открытия французским физиком Пьером Оже в 1938 г. "широких" ливней частиц в атмосфере становится очевидным существование космических частиц с макроимпульсами - частиц сверхвысоких энергий. В СССР бурно развиваются экспериментальные исследования в этой области, группы физиков-экспериментаторов высоко в горах (там, где выше интенсивность регистрируемых событий) создают станции для наблюдения за космическими лучами.

В Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИЯФ МГУ, ныне имени Д.В. Скобельцына) при Московском государственном университете создается самая большая установка для регистрации космических лучей сверхвысоких энергий (начало ее работы - 1958 г.) На этой установке получены детальные данные о природе широких атмосферных ливней (ШАЛ), генерируемых космическими лучами. Из этих экспериментальных данных следует, что энергетический спектр космических лучей испытывает изменение при импульсах примерно в одну миллионную от импульса хоккейной шайбы (излом в спектре космических лучей - открытие Сергея Вернова, Георгия Христиансена и их коллег). Но происходит ускорение и до еще бульших импульсов. Значит, надо создавать еще бульшие установки для их исследования.

Параллельно с экспериментальным изучением растет и понимание правил игры в "космический хоккей". Оказывается, наиболее благоприятными условиями для разгона космических частиц обладают те места во Вселенной, где имеется большая плотность быстро движущейся плазмы - "ударная волна". Такие "ударные" волны можно наблюдать в оболочках веществ, возникающих после взрыва сверхновых звезд, в столкновениях галактик и других грандиозных астрофизических событиях.

По данным экспериментов на больших установках становится ясно, что космические частицы могут ускорятся до макроимпульсов, приближающихся к импульсу хоккейной шайбы. Но неожиданное теоретическое соображение усложняет правила игры.

В 1966 г. экспериментально доказано существование электромагнитного излучения, оставшегося после взрыва Вселенной ("реликтовое излучение"). Фотоны этого излучения заполняют всю Вселенную (по новейшим данным, заполнение это неравномерно, имеется определенная структура в плотности излучения). Так вот, Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин (СССР) и независимо от них Кеннет Грейзен (США) показали, что протоны с макро-импульсом выше некоторого порога (близкого к импульсу хоккейной шайбы) взаимодействуют с реликтовыми фотонами и быстро теряют энергию - до тех пор, пока она не станет ниже порога взаимодействия. Расстояния, на которых идет процесс потери энергии, в масштабах Вселенной невелики - около 50 мегапарсек (1 парсек - 31 х 1012 км.; размеры изученной части Вселенной - около 1000 мегапарсек). В результате за протонами, ускоренными в объектах, удаленных от земного наблюдателя на расстояние более 50 мегапарсек, невозможно наблюдать.

Итогом двадцати лет работы многих установок во всем мире становится регистрация, по крайней мере, трех событий, в которых экспериментальные данные наиболее надежны, и с энергией заведомо выше предельной (предел поставлен эффектом поглощения на реликтовых фотонах). Вопрос об их происхождении сразу же вызвал поток теоретических статей. Оказывается, на расстояниях менее 50 мегапарсек трудно найти космический объект, способный ускорять частицы до таких энергий. Загадкой является и то, что направление зарегистрированных частиц не совпадает ни с одним из объектов, даже приближающихся по своим данным к кандидату на такой ускоритель.

Возникает неожиданная гипотеза: зарегистрированные частицы не были ускорены, это результат распада прачастиц (частиц "великого объединения") с огромной массой. Эти реликты Вселенной давно были предсказаны теорией единого происхождения всех известных в природе сил. Существует теория и для источника таких частиц - это так называемые топологические дефекты перехода состояния вещества Вселенной от момента, когда все вещество состояло из пра-частиц (речь идет о первых мгновениях "большого взрыва" Вселенной), к фазе разделения по различным типам взаимодействия и появлению силы тяжести, в частности. Теоретики считают вполне возможным существование "трещин" во время этого фазового перехода. Вспомните о трещинах во льду, когда при замерзании вода из жидкой фазы переходит в фазу твердого вещества. В этом альтернативном проекте происхождения "космических шайб" направление зарегистрированных следов частиц указывает на топологические дефекты, и само их наблюдение позволяет говорить о постановке совершенно, казалось бы, фантастического эксперимента - инструментально исследовать состояние вещества на стадии самых первых мгновений его существования.

По предложению отделения ядерной физики АН СССР (академик Моисей Марков, 1987 г.), экспериментальное исследование космических лучей предельно высоких энергий ставится на "индустриальную" основу: в государственную программу "Физика высоких энергий" включен проект создания установки ШАЛ -1000 (площадью в 1000 квадратных километров) в степях Казахстана. НИИЯФ МГУ имени Д.В. Скобельцына становится головной организацией по ее созданию (руководит проектом Георгий Христиансен, ныне академик РАН). Но к этому времени начинается экономический и политический кризис в СССР. Недостаточное финансирование, подъем тарифов на транспорт, "национализация" всех установок МГУ и РАН правительством Казахстана делают выполнение проекта невозможным. Строительство установки ШАЛ -1000 переносится в степи Заволжья.

Вместе с тем начинается участие физиков в новом плане создания глобальной системы наблюдения космических лучей в Северном и Южном полушариях Земли, чтобы поиск источников частиц вести по всей небесной сфере. Площадь двух установок "Обсерватории Пьер Оже" - так названа проектируемая глобальная система - должна составить 6 тысяч квадратных километров. В разработке этого плана участвуют и российские физики. Но до сих пор Россия не определила масштаб своего участия в осуществлении этого проекта.

Но глобальная наземная сеть установок - не единственный способ наблюдения космических частиц предельных энергий. В НИИЯФ МГУ в тесном сотрудничестве с ракетно-космической корпорацией "Энергия" разработан план создания оптической камеры с рекордно большим зеркалом (диаметром около 10 м) на борту международной космической станции. Такая камера способна регистрировать флуоресцирующий трек ШАЛ предельно высоких энергий на ночной стороне Земли. Площадь атмосферы, охватываемой камерой, в 10 раз больше площади установки ШАЛ-1000, а точность определения энергии и направления первичной частицы лучше, чем у наземных установок. Существуют и другие предложения по наблюдению космических частиц ультравысоких энергий из космоса: создание систем спутников с оптическими камерами с полем зрения, охватывающим еще большие площади атмосферы. Все эти предложения обсуждались в ноябре прошлого года на совещании в НАСА. Международное сообщество физиков сознает, что мы встретились с задачей мирового значения, и решать ее надо всем мировым сообществом.

Летом 1997 г. новую ситуацию в науке о космических лучах предельно ясно сформулировал академик Виталий Гинзбург: "Мы снова, как и в начале XX века, находимся на пороге открытия нового космического излучения - на этот раз с энергией выше 1020 электрон-вольт. Сегодня мы не знаем ни природы, ни источника этого излучения. Опыт изучения космических лучей в XX веке показал, что только в разносторонних экспериментальных измерениях и теоретических дискуссиях научное сообщество находит истину".

(С) "НГ-Наука" (НГН), электронная версия приложения к "НГ" (ЭВНГН). Номер 002 (6) от 04 февраля 1998 г., среда. Полоса 4.