Физики измерили соотношение изотопов гелия в космических лучах

Физики представили результаты измерений потоков гелия в космических лучах, собранных прибором AMS на борту Международной космической станции. Оказалось, что в большинстве случаев вариации изотопов элемента происходят согласованно, а многие характеристики для частиц высоких энергий соответствуют данным по более тяжелым ядрам, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Космические лучи — это массивные частицы высоких энергий, которые постоянно соударяются с земной атмосферой. Считается, что их источниками являются активные ядра галактик и вспышки сверхновых, но в большинстве случае направление их прихода отследить с достаточной точностью не удается.

В состав космических лучей входят многие частицы, основными из которых являются протоны. Однако также в них встречаются электроны, ядра более тяжелых элементов, некоторые античастицы. Иногда к космическим лучам также относят фотоны экстремально высоких энергий, которые по свойствам напоминают массивные частицы, так как при таких параметрах движения кинетическая энергия во много раз превышает энергию покоя.

Так как большинство частиц космических лучей заряжены, то они испытывают влияние магнитного поля. Это могут быть как крупномасштабные галактические и межгалактические поля, которые вызывают диффузию космических лучей и затрудняют задачу определения их источника, так и более локальные поля, в том числе создаваемые Солнцем и Землей.

Ученые, занимающиеся обработкой данных с установленного на МКС прибора AMS, представили результаты анализа измерений с 2011 по 2017 годы, посвященные гелию. Всего было зафиксировано около 100 миллионов ядер гелия-4 и примерно 18 миллионов ядер гелия-3. Эти результаты охватывают в два раза более высокие энергии, чем было доступно ранее для данных частиц.

Отношение потоков изотопов гелия в зависимости от кинетической энергии на нуклон. Новые данные показаны красными точками, красный пунктир — теоретическое предсказание.

M. Aguilar et al. / Physical Review Letters, 2019

Более распространенный изотоп гелий-4 образовался в значительных количествах в ранней Вселенной в эпоху первичного нуклеосинтеза и продолжает создаваться в ядрах звезд по сей день. Более редкий гелий-3 обычно получается в результате ядерных реакций в космосе, например, при соударениях высокоэнергичных ядер гелия-4 с частицами межзвездной среды. Различие в наблюдаемых распределениях параметров этих ядер позволяет оценивать глобальные свойства Млечного Пути и характер распространения космических лучей в нем.

Изучение частиц в AMS происходит посредством нескольких детекторов. Для каждого события изучается след в кремниевом трекере, что позволяет вычислить импульс частицы на основе степени ее отклонения в магнитном поле прибора. Однако для этого необходима информация о скорости, которую получают при помощи времяпролетной камеры для низкоэнергетических частиц или посредством кольцевого черенковского счетчика (Ring Imaging CHerenkov counter — RICH) в случае высоких энергий. Также измеряется зарядовое число, которое позволяет отделить гелий от других частиц.

Существует несколько способов построения спектров космических лучей, один из которых опирается на магнитную жесткость. Эта величина равна произведению гирорадиуса на магнитное поле или отношению энергии частицы к ее заряду в ультрарелятивистском случае. Данная характеристика удобна, так как тела с одинаковой жесткостью обладают одинаковой динамикой (например, движутся по одинаковым траекториям) в магнитном поле вне зависимости от массы и заряда.

Оказалось, что для жесткостей менее 4 гигавольт существует заметная долговременная зависимость от времени для обоих изотопов: начиная с 2015 года частиц с такими параметрами стало наблюдаться меньше. При этом у частиц с большей жесткостью подобного замечено не было: их поток не зависел от времени. Это связано с циклами солнечной активности и позволит уточнить модели взаимодействия солнечного ветра с галактическими космическими лучами.

В отличие от отношений ядер бора к кислороду и бора к углероду, которые принимают максимальные значения в области жесткости в 4 гигавольта, отношение потоков гелия-3 к гелию-4 монотонно уменьшалось, причем выше 4 гигавольт описывалось с высокой точностью степенным законом с единым показателем. Авторы отдельно отмечают, что к их удивлению зависимости на высоких жесткостях оказались одинаковы что для изотопов гелия, что для изученных ранее более тяжелых ядер.

Усредненная по времени зависимость отношения потоков изотопов гелия от магнитной жесткости. В области малых жесткостей наблюдается переменность, а выше 4 гигавольт кривая хорошо описывается единой степенной функцией.

M. Aguilar et al. / Physical Review Letters, 2019

Ранее сообщалось, что астрофизики нашли неоднородность в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей, начали наблюдения на самом чувствительном детекторе космических лучей, а также наблюдали яркое сияние Луны в гамма-диапазоне, обусловленное действием частиц из далекого космоса.

Источник: https://nplus1.ru/news/2019/11/22/ams-helium-cosmic-rays.