Предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина

Предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина (предел ГЗК, реликтовое (или чернотельное) обрезание спектра в области предельно высоких энергий, GZK-эффект, англ. Greisen – Zatsepin – Kuzmin limit, GZK limit) — это теоретический верхний предел энергии космических лучей от отдалённых источников.

Предел был вычислен в 1966 году Георгием Зацепиным и Вадимом Кузьминым[1], и независимо Кеннетом Грайзеном[2]. Ограничение связано с взаимодействием частиц с фотонами реликтового (фонового) микроволнового излучения. Было предсказано, что протоны с энергией выше 5⋅10^19 эВ (50 эксаэлектронвольт) взаимодействуют с фотонами, рождая пионы, пока их энергия не упадёт ниже указанного порога.

${\displaystyle \gamma +p\rightarrow \Delta ^{+}\rightarrow p+\pi ^{0}}$

или

${\displaystyle \gamma +p\rightarrow \Delta ^{+}\rightarrow n+\pi ^{+}}$

Средняя дистанция гашения энергии частиц — 50 Мпк, а так как в этих пределах нет никаких источников космических лучей таких высоких энергий, подобные частицы наблюдаться не должны.

Парадокс ГЗК

Наблюдения, проведённые во время эксперимента AGASA, показали, что Земли достигают лучи, энергия которых превышает установленный предел. Эти лучи называют частицами сверхвысоких, или предельно высоких энергий. Существование таких частиц называют парадоксом ГЗК[3]. Было предложено множество предположений для решения этой проблемы:

• результаты наблюдений были неправильно интерпретированы;
• существуют источники излучения ближе 50 Мпк (хотя такие источники обнаружены не были);
• тяжёлые ядра могут преодолеть предел ГЗК;
• частицы, слабо взаимодействующие с веществом (например, нейтрино), могут преодолеть этот предел.

Теории для объяснения парадокса ГЗК

Наиболее интересная и значительная из них — дважды специальная теория относительности, однако, судя по последним исследованиям, из неё также следует аналогичный парадокс[4].

Факты, не подтверждающие наличие парадокса

В июле 2007 года, во время 30-й Международной конференции, посвящённой космическим лучам, в Мериде, Мексика, HiRes представили свои результаты относительно космических лучей ультравысоких энергий. HiRes наблюдали подавление в спектре космических лучей ультравысоких энергий только в предсказанной области, наблюдая только 13 событий с энергией выше порога, при ожидаемых 43 без подавления. Этот результат был опубликован Physical Review Letters[5][6], это первое наблюдение, отрицающее наличие парадокса ГЗК. Обсерватория Пьера Оже подтвердила этот результат: вместо 30 событий, необходимых, чтобы подтвердить результаты AGASA, наблюдались только 2 события. Кроме того, в угловом распределении 27 самых высокоэнергетичных событий (с энергией больше 5,7⋅10^19 эВ) наблюдалась ярко выраженная анизотропия, которая хорошо коррелировала в большинстве случаев (в 20 из 27) с направлениями на активные ядра соседних галактик, вроде Центавра A[7][8][9].

Результаты наблюдений обсерватории Пьера Оже^[англ.] (Pierre Auger Observatory) вплоть до конца марта 2009 года, опубликованные в 2012 году, подтвердили существование завала спектра космических лучей в области эффекта ГЗК для протонов и более тяжёлых частиц, на уровне значимости более 20σ[10].

См. также

• Физика высоких энергий

Примечания

1. Зацепин Г. Т., Кузьмин В. А., «О верхней границе спектра космических лучей» Архивная копия от 26 октября 2014 на Wayback Machine, Письма в ЖЭТФ, 1966, Т.4, № 3, 114—117.
2. Greisen, Kenneth. End to the Cosmic-Ray Spectrum? (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1966. — Vol. 16, no. 17. — P. 748—750. — doi:10.1103/PhysRevLett.16.748.
3. Dedenko, L. G., Fedorova, G. F., Fedunin, E. Y., Kirillov, A. A., & Roganova, T. M. The GZK Paradox and Estimation of Energy of the Primary Cosmic Rays // Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference.
4. Giovanni Amelino-Camelia. Doubly Special Relativity Архивная копия от 31 июля 2020 на Wayback Machine
5. Abbasi, R. U.; et al. First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2008. — Vol. 100. — P. 101101. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.101101.
6. Подтверждена реальность эффекта Грейзена — Зацепина — Кузьмина, Грани.ру, 26.03.2008.  (неопр.) Дата обращения: 2 августа 2009. Архивировано 1 января 2009 года.
7. Обнаружена неоднородность в направлениях прилета космических лучей ультравысоких энергий • Михаил Столповский • Новости науки на «Элементах» • Астрофизика  (неопр.). Дата обращения: 8 февраля 2018. Архивировано 9 февраля 2018 года.
8. Открыта анизотропия космических лучей сверхвысоких энергий, Грани.ру, 09.11.2007.  (неопр.) Дата обращения: 2 августа 2009. Архивировано 16 апреля 2009 года.
9. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 8 февраля 2018. Архивировано 9 февраля 2018 года.
10. A. Creusot, For the Pierre Auger Collaboration. Latest results of the Pierre Auger Observatory // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment : 4th International workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino detection Activities. — 2012. — Т. 662, Supplement 1. — С. S106—S112.

Ссылки

• В. А. Кузьмин. Космические лучи сверхвысоких энергий: вчера, сегодня, завтра / Мечтаю работать с Георгием Тимофеевичем Зацепиным ещё долгие годы… — М.: Изд-во МГУ, 1997