Вселенная имеет много нерешенных проблем. Часть из них постепенно находит объяснение, а другие — остаются загадками для науки. Одна из таких загадок — избыток мюонов. Измерения обнаружили, что на поверхности Земли наблюдается больше мюонов, чем предсказывают стандартные физические модели.
Эти элементарные частицы являются побочными продуктами высокоэнергетических космических лучей, взаимодействующих с атмосферой. В новом исследовании группа ученых предлагает объяснение этого феномена через так называемую конденсацию глюонов.
Как образуются мюоны?
Космические лучи, пронизывающие время-пространство почти со скоростью света, сталкиваются с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, вызывая каскад частиц. Образующиеся пионы, каоны и барионы быстро распадаются, порождая мюоны – тяжелые аналоги электронов. Около 90% мюонов возникают из распада пионов и каонов. Эти частицы способны проникать сквозь атмосферу почти без потери энергии и достигать поверхности Земли, что объясняется принципами специальной теории относительности.
По расчетам, ежеминутно через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли проходит один мюон, но наблюдения свидетельствуют, что их количество превышает ожидаемое на 30-60% в пределах энергий от 6 до 16 ЭэВ.
Конденсация глюонов
Исследователи предполагают, что главная причина расхождения между теорией и наблюдениями кроется в первом столкновении космических лучей со сталкивающимися с ядрами атомов в атмосфере. В таких условиях, когда частица космического луча имеет чрезвычайно высокую энергию, в ядрах могут образовываться глюонные конденсаты.
Глюоны — частицы, переносящие сильное взаимодействие между кварками, из которых состоят адроны (например, протоны, нейтроны, пионы и каоны). В обычных условиях глюоны ведут себя сложно из-за своей «цветной» заряженности, которая затрудняет их анализ. Однако при сверхвысоких энергиях они могут образовывать состояния, где значительная часть их энергии сосредоточивается на одном уровне, образуя глюонный конденсат.
Влияние глюонных конденсатов
Глюонные конденсаты могут значительно влиять на формирование адронов во время столкновений. Например, они увеличивают появление пионов и странных кварков, которые входят в состав каонов. Эти процессы ведут к образованию большего количества мюонов, чем предполагает стандартная модель.
Расчеты показали, что количество пар странных кварков может быть в 2–10 раз больше при наличии глюонного конденсата, чем в обычной кварк-глюонной плазме. Это, в свою очередь, объясняет избыток мюонов на поверхности Земли.
Авторы исследования в статье The Astrophysical Journal подчеркивают, что стандартные модели, которые учитывают только влияние кварк-глюонной плазмы, не могут полностью объяснить избыток мюонов. Зато их теория глюонного конденсата предлагает более точное объяснение. Они считают, что эти состояния могут образовываться при экстремальных энергиях столкновений, способствуя образованию странных кварков и, как следствие, большему количеству мюонов.
Ранее мы рассказывали о том, как сверять часы с помощью космических лучей.
По материалам phys.org
