Одним из наиболее интригующих аспектов исследования космических лучей является поиск и изучение антивещества. В обычных условиях во Вселенной преобладает материя, и антивещество встречается крайне редко, в основном в виде краткоживущих частиц, возникающих при взаимодействии высокоэнергичных протонов с межзвёздным веществом.
Антипротоны были впервые обнаружены в составе космических лучей в 1979 году. Их спектр и относительное содержание дают ценную информацию о механизмах генерации вторичных частиц. Основным процессом образования антипротонов является взаимодействие космических протонов и ядер с межзвёздным газом, где при высоких энергиях возникают пары частица–античастица. Сравнение измеренной концентрации антипротонов с теоретическими моделями позволяет проверять гипотезы о возможных дополнительных источниках — например, аннигиляции тёмной материи или распаде массивных экзотических частиц.
Позитроны, антипартнёры электронов, также фиксируются в значительных количествах. Их энергетический спектр отличается от простого степенного закона, что вызвало активные дискуссии о природе их источников. Помимо вторичного происхождения в межзвёздной среде, важным кандидатом являются астрофизические объекты — пульсары и микроквазары, способные генерировать избыточное количество позитронов. Анализ данных космических телескопов (например, PAMELA, AMS-02, Fermi-LAT) указывает на наличие «позитронного избытка» в области энергий выше десятков ГеВ, что требует новых объяснений, включая гипотезу о распаде или аннигиляции частиц тёмной материи.
Антиядра представляют собой ещё более редкий и экзотический компонент. Поиск антигелия и других антиядер является важным направлением в физике космических лучей. Их обнаружение подтвердило бы существование областей Вселенной, где доминирует антивещество, либо указало бы на неизвестные механизмы рождения антиядер в астрофизических условиях. До настоящего времени надёжных свидетельств существования антигелия в космических лучах не получено, хотя эксперименты продолжают устанавливать всё более строгие верхние пределы его концентрации.
Помимо антивещества, особый интерес представляют так называемые экзотические компоненты космических лучей, выходящие за рамки стандартной модели физики частиц.
Монополи Дирака — гипотетические частицы с ненулевым магнитным зарядом. Их существование предсказывается рядом теорий великого объединения, а обнаружение стало бы революцией в физике. Поиск монополей в составе космических лучей ведётся уже несколько десятилетий, но пока их присутствие не зафиксировано. Устанавливаются лишь верхние пределы на поток подобных частиц, что накладывает жёсткие ограничения на космологические модели.
Странная материя и связанные с ней частицы — так называемые «странные кварковые капли» или странные ядра. Согласно гипотезе, при сверхвысоких плотностях кварков может образоваться стабильная конфигурация вещества, включающая u-, d- и s-кварки. Если такие объекты существуют, они могут появляться в космических лучах как тяжёлые, необычно стабильные частицы с аномальной массой и зарядом. Их возможное обнаружение связано с исследованиями космических потоков при энергиях выше 10¹⁵ эВ.
Суперсимметричные частицы, предсказываемые расширениями Стандартной модели, также обсуждаются в контексте космических лучей. Некоторые из них (например, нейтралино) считаются кандидатами на роль частиц тёмной материи. Аннигиляция или распад таких частиц в гало нашей Галактики может приводить к образованию позитронов, антипротонов или гамма-излучения, наблюдаемого в спектрах космических лучей.
Реликтовые частицы из ранней Вселенной — ещё один класс гипотетических объектов. Если во время фазовых переходов в первые доли секунды после Большого взрыва образовались нестандартные структуры или частицы с необычными свойствами, то их следы могли сохраниться и проявляться в космическом излучении.
Для изучения антивещества и экзотических частиц используются сложные детекторы, обладающие высокой точностью идентификации.
Изучение редких компонентов космических лучей имеет принципиальное значение для современной физики.