Космические лучи представляют собой высокоэнергетические частицы, преимущественно протоны и ядра лёгких элементов, которые движутся с околосветовыми скоростями и достигают Земли из различных областей Вселенной. Изучение их свойств открывает уникальные возможности для поиска явлений за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Особенно интересен анализ аномалий в спектрах и композиции частиц на сверхвысоких энергиях, где традиционные теории не дают однозначных прогнозов.
Одним из ключевых направлений является измерение энергетических спектров космических лучей. Наблюдается, что до энергии около 1015 эВ спектр следует степенному закону E−2.7, после чего происходит “перелом” (knee) около 1015–1016 эВ. Анализ спектра выше 1018 эВ, в области так называемого “ankle”, показывает возможное появление компонент, не объясняемых обычными механизмами ускорения в галактических источниках.
Ключевой момент: изучение этих переломов и отклонений в спектре позволяет искать признаки экзотической физики, включая распад сверхтяжёлых частиц или взаимодействия с темной материей.
Высокоэнергетические космические лучи содержат малые фракции антипротонов и позитронов. Последние наблюдения показывают превышение числа позитронов в спектре выше 10 ГэВ, что трудно объяснить стандартными астрофизическими источниками. Это может свидетельствовать о распаде или аннигиляции частиц тёмной материи, либо о неизвестных источниках ускорения в галактике.
Ключевой момент: точные измерения античастиц являются одним из главных способов тестирования моделей новой физики, особенно гипотез о природе темной материи.
Магнитные монополи — гипотетические носители одиночного магнитного заряда — предсказываются рядом теоретических моделей, включая Grand Unified Theories (GUT). Эксперименты с детекторами на Земле и в космосе ищут их через специфические сигнатуры, такие как аномально высокая ионизация и уникальные траектории в магнитных полях.
Другие экзотические частицы включают странныеlets (strangelets), суперсимметричные частицы и стабильные тяжелые частицы. Космические лучи с высокими энергиями могут служить источником этих частиц, а их обнаружение позволило бы подтвердить новые модели физики, недоступные лабораторным условиям.
Измерение состава космических лучей (протоны, ядра гелия, тяжелые элементы) на различных энергиях выявляет закономерности, которые могут указывать на новые процессы в астрофизических источниках или на эффекты за пределами стандартной физики.
Анизотропия распределения космических лучей на сверхвысоких энергиях также интересна: небольшие отклонения в направлении прихода частиц могут свидетельствовать о воздействии неизвестных магнитных структур или экзотических взаимодействий в межгалактическом пространстве.
Сверхвысокие энергии космических лучей ( > 1019 эВ) подвергаются взаимодействию с реликтовыми фотонами микроволнового фона, приводя к потере энергии через процессы фотопионации и электрон-позитронной пары. Это формирует так называемый GZK-порог, выше которого частицы не могут достигать Земли из далеких источников.
Ключевой момент: обнаружение частиц с энергиями выше GZK-порога или аномальных спектральных форм может быть признаком новой физики: сверхдоплеровских эффектов, нарушений Лоренц-инвариантности или распада экзотических супертяжёлых частиц.
Для выявления признаков новой физики необходимы комбинированные детекторы:
Использование этих методов повышает чувствительность к редким событиям, которые могут быть маркерами новой физики.
Современные теории предсказывают разнообразные сигнатуры новых явлений:
Ключевой момент: точность и разнообразие наблюдений критически важны для отделения статистических флуктуаций от реальных проявлений новой физики.