Найдено решение головоломки о мюонах в космических лучах

Каждую секунду миллионы высокоэнергетических космических лучей, движущихся почти со скоростью света, бомбардируют верхние слои атмосферы Земли, где сталкиваются с ядрами атомов азота, кислорода и аргона. Эти ядра взрываются с образованием множества новых частиц, таких как пионы, каоны и другиме мезоны. Затем эти частицы распадаются, превращаясь преимущественно в мюоны — тяжелые аналоги электронов. Около 90% всех мюонов — результат распадов пионов и каонов.

Мюоны долетают до поверхности Земли, теряя небольшую часть своей энергии. Почему они успевают проделать довольно длинный путь сквозь атмосферу, несмотря на короткую продолжительность жизни — отлично объясняет специальная теория относительности. А вот количество этих мюонов — около одного в минуту на квадратный сантиметр, с чрезвычайно широким энергетическим спектром и средней энергией порядка 4 ГэВ — с теорией не бьется. По результатам экспериментов на Большом адронном коллайдере и протонном суперсинхротроне в ЦЕРНе их должно быть на 30-60% меньше.

Уже несколько лет объяснение этого избытка мюонов остается настоящей головоломкой. Но, похоже, в Восточно-Китайском педагогическом университете (ECNU) нашли ее решение. Гипотеза изложена в The Astrophysical Journal.

Ее авторы предположили, что основное различие между экспериментальными данными и теоретическими моделями кроется в самой первой встрече космического луча с атмосферой — энергия этого столкновения так высока, что приводит к образованию особого состояния — глюонного конденсата.

Глюоны — это частицы, которые переносят сильное взаимодействие между кварками внутри мезонов и адронов (частиц, состоящих из нескольких кварков — например, протонов и нейтронов). При сверхвысоких энергиях столкновения глюоны могут собираться в так называемый конденсат глюонов, что влияет на появление странных кварков и антикварков, из которых образуются каоны.

Если исследователи правы в своих расчетах, глюонный конденсат должен увеличивать производство пар странных кварков, в зависимости от энергии, в 2-10 раз.

По мнению ученых, эта повышенная продукция странных кварков объясняет избыток мюонов в широких атмосферных ливнях, наблюдаемых на Земле.