Космические лучи — это заряженные частицы, которые непрерывно бомбардируют Землю из глубин космоса. Когда такая частица влетает в атмосферу, она сталкивается с ядрами воздуха и рождает целый каскад вторичных частиц: электроны, мюоны, фотоны. Этот каскад называют широким атмосферным ливнем, и он может растянуться на километры. По ливню учёные пытаются понять, что за частица прилетела и сколько в ней энергии, но сделать это непросто — ливень похож на размытый след, а не на чёткий отпечаток.
В обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory — Большая высокогорная обсерватория атмосферных ливней) в Китае придумали новый способ восстановления энергии и массы первичной частицы. Вместо того чтобы собирать весь ливень целиком, они измеряют плотность частиц на фиксированном расстоянии от оси ливня — это как смотреть не на весь след ноги, а на чёткость отпечатка в одной точке. Такой подход оказался точнее: погрешность энергии — от 5 до 15 процентов, а для тяжёлых ядер, например железа, массу удаётся определить с точностью лучше 25 процентов. Метод работает одинаково для всех типов частиц и почти не зависит от того, какую модель взаимодействий используют физики — а это частая головная боль в подобных измерениях.
Зачем это нужно? Космические лучи с энергией выше примерно 1 ПэВ (петаэлектронвольт — это в тысячу раз больше, чем может выдать Большой адронный коллайдер) несут информацию о самых мощных ускорителях во Вселенной: взрывах сверхновых, пульсарах, активных ядрах галактик. На спектре космических лучей есть излом — так называемое «колено», где число частиц резко падает. Возможно, это граница возможностей нашей Галактики удерживать частицы или предел их ускорения. Новый метод LHAASO поможет разобраться, какие именно частицы и каких энергий долетают до Земли, а значит — где и как они родились.
Такой подход — как переход от размытой фотографии к чёткому снимку: меньше шума, больше деталей. И это открывает путь к более точной карте космических ускорителей.
Самая энергичная из когда-либо зарегистрированных космических частиц имела энергию около 300 ЭэВ — это как удар теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч, но сосредоточенный в одном протоне.
В романе Станислава Лема «Глас Господа» герои пытаются расшифровать сигнал из космоса, но сталкиваются с тем, что их приборы искажают данные — похожая проблема стоит и перед физиками, восстанавливающими свойства космических лучей по атмосферным ливням.