Где-то над нашими головами, каждую секунду, в атмосферу врезается протон, разогнанный до энергии, в миллионы раз большей, чем в Большом адронном коллайдере. Он ударяет по молекуле воздуха, и рождается каскад — широкий атмосферный ливень из тысяч частиц. Физики ловят эти ливни наземными детекторами, но до сих пор не могли точно сказать, что происходило в самый первый миг, в точке первого удара.
Всё потому, что дальнейшее развитие ливня похоже на снежную лавину: как бы ни отличались первые снежинки, вниз катится одинаковый поток. Так и здесь — после первого столкновения каскад частиц развивается по почти универсальным законам, и детали начального взаимодействия стираются.
Но авторы новой работы нашли два числа, которые вместе сохраняют память о первом ударе. Первое — глубина, на которой ливень достигает максимального размера. Второе — количество мюонов, тяжёлых родственников электрона, долетающих до земли. Оказывается, если посмотреть, как эти две величины колеблются от ливня к ливню, то в их совместных флуктуациях проступает отпечаток того, как первичный протон поделил свою энергию между вторичными частицами. Это как если бы по форме лавины можно было восстановить, с какого именно камня она сорвалась.
Новый метод не требует знать все детали сложных ядерных взаимодействий. Он опирается на то, что вторая часть ливня почти универсальна, а вся неопределённость сосредоточена в первом ударе. Авторы показали, что погрешности от такого упрощения меньше, чем разброс между современными моделями, и сравнимы с точностью нынешних экспериментов. Значит, измеряя эти две величины вместе, можно напрямую тестировать, как ведут себя частицы при энергиях, недостижимых на Земле.
Так что теперь у физиков появился новый инструмент — космический бильярд, где по разлёту шаров можно судить о первом ударе кием. И чем больше ливней мы поймаем, тем точнее узнаем, из чего сделаны самые быстрые частицы во Вселенной.
Один-единственный протон сверхвысокой энергии несёт столько же энергии, сколько хорошо поданный теннисный мяч, но сосредоточена она в объекте размером с атомное ядро.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» физики используют космические лучи сверхвысоких энергий для проверки теорий за пределами Стандартной модели — новый метод как раз открывает путь к таким проверкам.