Космос предоставляет физикам уникальные условия, недостижимые в наземных лабораториях: сверхвысокие энергии космических лучей, изолированность от атмосферы, возможность долговременного мониторинга частиц и фотонов высокой энергии. Эти особенности делают космос естественной ареной для экспериментов в области физики элементарных частиц и астрофизики высоких энергий. В космической среде можно наблюдать явления, которые трудно или невозможно воспроизвести на Земле, например, потоки ультравысокоэнергетических космических лучей, реликтовое излучение, антиматерию и потенциальные сигналы от распада или аннигиляции частиц тёмной материи.
Космические лучи — это поток заряженных частиц, в основном протонов и ядер лёгких элементов, движущихся с релятивистскими скоростями. Их энергии варьируются в широком диапазоне: от сотен МэВ до 10²⁰ эВ и выше. Источники космических лучей включают Солнце, сверхновые, активные ядра галактик и возможные экзотические объекты, такие как струны космологического происхождения или распадающие сверхмассивные частицы.
Исследование состава, энергии и углового распределения космических лучей позволяет изучать механизмы ускорения частиц, межгалактическое магнитное поле, а также возможные проявления новой физики, например, отклонения от стандартной модели взаимодействий.
Для регистрации космических лучей и других элементарных частиц используются специализированные приборы, размещённые на спутниках, орбитальных станциях и зондаx. Среди наиболее значимых миссий следует отметить:
AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) — магнитный спектрометр, установленный на борту Международной космической станции (МКС). Он предназначен для измерения состава и потоков космических лучей с высокой точностью. AMS-02 позволил обнаружить избыток позитронов при высоких энергиях, что может указывать на процессы, связанные с тёмной материей или астрофизическими источниками, такими как пульсары.
CALET (CALorimetric Electron Telescope) — японский детектор на МКС, измеряющий потоки электронов, гамма-квантов и ядер в диапазоне до нескольких тераэлектронвольт.
DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) — китайская миссия, направленная на поиск частиц тёмной материи и детектирование космических лучей высоких энергий. Особое внимание уделяется электрон-позитронным парам и их спектру.
Fermi LAT (Large Area Telescope) — гамма-телескоп на спутнике Fermi, предназначенный для изучения источников гамма-излучения: пульсаров, гамма-всплесков, активных галактик, а также возможных сигналов от аннигиляции тёмной материи.
Тёмная материя, не взаимодействующая электромагнитно, не может быть непосредственно зарегистрирована обычными методами. Однако её аннигиляция или распад может порождать стандартные частицы, такие как гамма-кванты, позитроны, антипротоны. Поиск таких сигнатур ведётся на основе анализа данных от спутников и орбитальных детекторов.
AMS-02, PAMELA и DAMPE выявили аномальные потоки позитронов и антипротонов, выходящие за рамки стандартных моделей вторичного происхождения этих частиц. Хотя возможны объяснения с участием астрофизических источников, гипотеза аннигиляции тёмной материи остаётся предметом активных исследований.
Также важным направлением являются наблюдения гамма-излучения из центров галактик и карликовых сфероидальных галактик — потенциально богатых тёмной материей. Здесь ищутся характерные спектральные особенности, например, линии моноэнергетических гамма-квантов.
Космические нейтрино являются важнейшими носителями информации о дальних и экстремальных источниках высокоэнергетического излучения. Они практически не взаимодействуют с веществом и способны пролетать космические расстояния без рассеяния.
IceCube Neutrino Observatory, хотя и располагается на Земле (в антарктическом льду), регистрирует нейтрино из космоса по вспышкам черенковского излучения. Этот детектор открыл нейтрино астрофизического происхождения с энергиями до петаэлектронвольт (PeV), что стало новым этапом в нейтринной астрономии.
Проектируемые орбитальные нейтринные телескопы (например, POEMMA) будут использовать атмосферу как мишень для регистрации вспышек, вызванных взаимодействием ультравысокоэнергетических нейтрино с атомами воздуха.
Нейтрино также применимы для поиска распада тяжёлых частиц, связанных с тёмной материей или ранней Вселенной, и для изучения фундаментальных свойств самих нейтрино: масс, иерархии, стерильных состояний.
Современные космические исследования включают в себя и мульти-мессенджерную астрономию, объединяющую детектирование гравитационных волн, нейтрино, фотонов и космических лучей. Такие подходы позволяют с разных сторон изучать высокоэнергетические явления: слияния нейтронных звёзд, коллапсы чёрных дыр, джеты гамма-всплесков и пр.
Проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будет первым гравитационно-волновым интерферометром в космосе, чувствительным к низкочастотным волнам, происходящим, в том числе, от ранних стадий формирования Вселенной. Совмещение гравитационно-волновых и частично нейтринных данных даёт новые возможности для поиска следов новой физики.
Поиск антигелия и других античастиц тяжёлых элементов в составе космических лучей — важный тест гипотез о наличии антиматерии на космологических масштабах. Если бы в ранней Вселенной существовали области, содержащие антибарионы, то в результате ядерного синтеза в них могли бы образоваться антиядра — антигелий-3, антигелий-4.
Обнаружение таких частиц на орбите (например, в AMS-02) имело бы колоссальное значение, поскольку опровергало бы представление о полной барионной асимметрии Вселенной. Пока достоверных наблюдений антигелия нет, однако зарегистрированы несколько кандидатов, требующих дальнейшего подтверждения.
Несколько проектов, находящихся в стадии подготовки, направлены на расширение чувствительности к редким и высокоэнергетическим частицам. Среди них:
HERD (High Energy cosmic-Radiation Detection facility) — китайско-европейский проект, запланированный для размещения на китайской космической станции. Он будет чувствителен к гамма-излучению, электронам и ядрам на энергии до 1 PeV.
e-ASTROGAM и AMEGO — перспективные гамма-телескопы для диапазона от сотен кэВ до нескольких ГэВ, важные для поиска сигналов от аннигиляции тёмной материи, изучения процессов в пульсарах и джетах.
TUS и KLYPVE — орбитальные обсерватории для регистрации флуоресценции атмосферного воздуха от ультравысокоэнергетических частиц. Такие миссии дополнят наземные массивы (например, Pierre Auger) и расширят доступную площадь наблюдений.
Эксперименты в космосе играют всё более значимую роль в современной физике частиц, являясь не только инструментом астрономических наблюдений, но и полем тестирования гипотез за пределами стандартной модели. Обнаружение новых частиц, нестандартных взаимодействий, следов тёмной материи, античастиц или редких процессов, предсказанных теорией великого объединения, возможно именно в условиях, недостижимых в земных ускорителях.
Кроме того, космос даёт возможность изучения элементарных частиц на энергиях, превышающих те, что доступны даже в коллайдерах следующего поколения. Это делает космическую физику частиц важнейшим стратегическим направлением в фундаментальной науке XXI века.