Статья: Космические лучи и реликтовое излучение во Вселенной

Различные проявления нейтринного моря очень активно обсуждались в начале 60-х годов. В частности, Б.П. Константинов и автор настоящих строк пришли к выводу о возможном обрыве формы энергетического спектра космических лучей сверхвысокой энергии (больше 1017 эВ) за счет взаимодействия с нейтринным морем во Вселенной. Вскоре был обнаружен реликтовый фон фотонов во Вселенной и стало ясно, что спектр космических лучей сверхвысокой энергии должен сильно обрываться именно за счет взаимодействия с фотонами, если источник космических лучей находится достаточно далеко. Возможность искажения спектра космических лучей за счет взаимодействия с нейтринным фоном упомянута в данной статье не только с точки зрения истории развития обсуждаемой проблемы о космических лучах сверхвысокой энергии. Как будет показано ниже, нейтринное излучение претендует на "монополию над космическими лучами сверхвысокой энергии". Сейчас уже обсуждается идея о том, что не протоны являются представителями космических лучей сверхвысокой энергии, а именно нейтринное излучение. Эта далеко не стандартная идея была предложена еще в 1968 году В.С. Березинским и Г.Т. Зацепиным. Здесь же хочется отметить также, что Г.Т. Зацепин первым (в 1951 году) сформулировал идею о том, что космические лучи сверхвысокой энергии должны терять энергию при взаимодействии с фотонами низких энергий (на примере фотонов солнечного излучения).

Эффект Грейзена, Зацепина и Кузьмина и форма энергетического спектра космических лучей в области сверхвысокой энергии

Вскоре после обнаружения фона реликтовых фотонов Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин и К. Грейзен показали, что наличие реликтовых фотонов должно привести к дефициту потоков космических лучей в области сверхвысокой энергии (Е > 1019 эВ). Эта фундаментальная идея базируется на том, что ускорять частицы столь высокой энергии в Галактике чрезвычайно трудно, а в радиогалактиках и квазарах такие энергии сравнительно легко достижимы. Однако возникает трудность в распространении таких частиц в межгалактическом пространстве. Из-за столкновений протонов с реликтовым излучением (Т = 2,7 К) частицы сверхвысокой энергии должны тормозиться, то есть энергетический спектр должен становиться более крутым при энергии более 1019 эВ. Зарегистрированные протоны с энергией выше 3 · 1020 эВ не могут иметь возраст более 108 лет, то есть источник должен находиться не далее 1026 см. Поскольку частицы с такой большой энергией практически не отклоняются в галактических и межгалактических магнитных полях, направление на источник известно. Однако подходящего источника в таком направлении нет.

Фундаментальная важность обсуждаемой проблемы неизбежно привела к огромному интересу как теоретиков, так и экспериментаторов.

Рис. 1.

Рассмотрим теперь новейшие экспериментальные данные, полученные на установке "Акено" за интервал времени с февраля 1990 по октябрь 1997 года. Площадь этой установки ШАЛ составляет 100 км2, и достигнуто наибольшее время экспозиции по сравнению с остальными установками ШАЛ. Установка состоит из 111 детекторов, каждая площадью 2,2 м2; расстояние между детекторами 1 км; ошибка измерения полной энергии составляет ~ 20%. Полученный энергетический спектр, умноженный на Е3, представлен на рис. 1. Штриховая кривая отражает энергетический спектр внегалактических источников, распределенных однородно во Вселенной. Всего событий с энергией более 1020 эВ - шесть, и это свидетельствует о том, что вопреки ожиданиям обрезания спектра из-за реликтового излучения для таких частиц нет. Естественно возникает вопрос: почему? Ответа на этот фундаментальный вопрос в настоящее время нет. Обсуждаются следующие две возможности.

1.  Существует ранее неизвестная компонента космических лучей сверхвысокой энергии за пределами области обрезания энергетического спектра чернотельным излучением.

2.  Космические лучи ультравысокой энергии представлены не протонами, а нейтринным излучением. Отсутствие заряда и стабильность позволяют нейтрино избежать эффекта Грейзена-Зацепина-Кузьмина и достичь Земли, даже если источник находится очень далеко. Если теперь предположить, что нейтрино при ультравысоких энергиях приобретают способность сильного воздействия, то они могут генерировать широкие атмосферные ливни. Предложена конкретная возможность проверки этой фундаментальной идеи путем определения высотного профиля ШАЛ (рис. 2)

Рис. 2.

В заключение хочется отметить, что, учитывая богатую и нестандартную историю рождения и развития нейтрино, можно предположить, что новые неожиданности и сюрпризы по физике и астрофизике нейтрино вполне реальны.