Космические лучи — это поток высокоэнергичных частиц, приходящих на Землю из космоса. Основной интерес в физике высоких энергий представляет именно первичный компонент космических лучей — те частицы, которые не взаимодействовали с атмосферой Земли и несут информацию о процессах, происходящих в астрофизических источниках.
Основу первичных космических лучей составляют:
Спектр космических лучей простирается на десятки порядков по энергии — от ∼10⁸ эВ до пределов порядка 10²⁰ эВ и выше. Этот широкий энергетический диапазон делает космические лучи уникальным лабораторным инструментом для изучения взаимодействий на энергиях, превышающих возможности современных ускорителей.
Поток космических лучей описывается степенным законом:
$$ \frac{dN}{dE} \propto E^{-\gamma} $$
где γ — спектральный индекс, изменяющийся с ростом энергии. При энергии до ∼10¹⁵ эВ γ ≈ 2.7, затем наблюдается “колено” спектра, где наклон меняется до γ ≈ 3.1. Это может свидетельствовать о пределе ускорения в галактических источниках. При энергиях выше ∼10¹⁸.⁵ эВ происходит ещё одно изменение наклона — так называемый “предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина (GZK cut-off)”, связанный с взаимодействием ультравысокоэнергичных протонов с фотонами реликтового излучения.
Сверхновые взрывы считаются основным источником галактических космических лучей. Ускорение частиц происходит посредством механизма диффузионного ускорения первого рода, также называемого ускорением Ферми. Во фронте ударной волны сверхновой частицы многократно отражаются от магнитных неоднородностей, постепенно набирая энергию.
Дополнительно важными источниками являются:
Механизм происхождения ультравысокоэнергичных космических лучей (УВЭКЛ) остаётся предметом активного исследования. Возможны гипотезы о разрушении топологических дефектов, реликтовых струнах, распадах частиц тёмной материи или других феноменах за пределами Стандартной модели.
При попадании первичных частиц в атмосферу Земли возникают каскадные процессы, ведущие к формированию вторичных космических лучей. Основные компоненты вторичного потока:
Таким образом, первичные космические лучи становятся источником широкого спектра вторичных частиц, включая мюоны, нейтрино, нейтроны и электромагнитное излучение.
Изучение космических лучей требует сложных методик регистрации. В зависимости от энергии частиц и места регистрации применяются различные подходы:
Комбинированные методы позволяют реконструировать энергию, направление и массовый состав первичных частиц.
Измерения показывают, что состав космических лучей повторяет в общих чертах солнечную систему, но с рядом особенностей:
После ускорения в источнике частицы распространяются в галактическом магнитном поле, выполняя диффузное движение. Типичное описание происходит через уравнение переноса с учётом:
В рамках диффузионных моделей удаётся объяснить большинство наблюдаемых особенностей спектра и состава при энергиях до колена. Однако в области УВЭКЛ требуется учёт прямого пролёта без задержек на рассеянии.
При взаимодействии ультравысокоэнергичных протонов с фоновым излучением (реликтовым и инфракрасным) рождаются:
p + γCMB → Δ+ → n + π+ → μ+ + νμ + νe
Этот процесс сопровождается возникновением космогенетических нейтрино, обладающих крайне высокой энергией и проникающей способностью. Их регистрация (например, в IceCube) представляет одно из самых перспективных направлений поиска экзотической физики и новых источников.
Современные исследования космических лучей служат мостом между астрофизикой, космологией и физикой элементарных частиц. Они обеспечивают уникальную возможность изучать физику на экстремальных масштабах энергии, плотности и расстояний, выходящих за рамки земных ускорителей.