Эксперимент СФЕРА

Проблема ядерного состава КЛ при сверхвысоких
энергиях
или
Поиск Странной Кварковой Материи в КЛ
Основная идея доклада :
необходимость изменения подхода к изучению состава КЛ,
вместо попыток изучения ядерных спектров следует
ориентироваться на поиск аномальной компоненты в КЛ
типа странной кварковой материи.
Основания:
1. Результаты эксперимента АДРОН (Тянь-Шань)
(длиннопробежная, выстройка,гало, кентавры…)
2. Модель одиночного близкого источника КЛ
(А.Д.Ерлыкин, А.Волфиндейл)
Зацепин Г.Т. на Памире
1960- наст. время – Тянь-Шаньская
высокогорная научная станция
1985-1991- эксперимент АДРОН –
РЭК+ШАЛ
Спектр КЛ по данным экспериментов
АДРОН (Тянь-Шань) и AGASA (Япония)
Модель одиночного близкого источника КЛ –
двухкомпонентный состав КЛ.
Ерлыкин&Волфиндейл
Сректр всех ШАЛ и “молодых” с s<0.4
Кривая поглощения γ-квантов и их семейств в
атмосфере.
1..5.
Аномальное нарушение скейлинга связано с
изменением состава КЛ
На Рис.а) приведена зависимость среднего
числа мюонов от Ne для всех ШАЛ и ШАЛ с
γ-семействами .
При выборке из всех ШАЛ ливней с γсемействами число мюонов оказывается
больше чем в среднем по ШАЛ.
Это противоречит любым моделям ШАЛ,
т.к. в этом случае выбираются протонные
события и в них число мюонов должно
быть меньше чем в среднем по ШАЛ
(красный пунктир).
На Рис.b) приведена зависимость от Ne
наклона b энергетических спектров γквантов (Eγ-b) в стволах тех же ШАЛ.
Повышенное число мюонов в этих
событиях противоречит любой ядерной
модели взаимодействия и любому
ядерному составу.
Вывод: В области колена КЛ содержат
аномальную компоненту, которая не
состоит из нуклонов.
Интерпретация: Эта компонента может
состоять из “стабильных” частичек
странной кварковой материи (СКМ).
Нормировка спектров ядерных
компонент в зависимости от магнитной
жесткости R=E/Z.
Энергетические спектры ядерных компонент.
• Энергетические спектры
комп зависимости от
магнитной
ядерных компонент.
Энергетическое разрешение
метода ШАЛ (~30%) может
превышать скорость
осцилляций состава КЛ, что
приводит к большим ошибкам
в определении его зависимости
от первичной энергии.
ВЫВОДЫ
• Основной целью должно быть не определение ядерного состава КЛ, а
поиск аномальной компоненты, либо доказательство ее отсутствия.
• Решающее значение в такой постановке эксперимента имеет
изучение стволов ШАЛ с помощью рентгеноэмульсионных
камер – РЭК.
• Минимальный состав высокогорной установки должен включать:
1) Ливневой детектор электронов – Е0
2) Детектор стволов – РЭК
3) Детектор мюонов
Гипотеза Странной Кварковой Материи
Рис.: Сравнение энергии на барион для 56Fe, ud-кварковой материи (u, d
кварки) и uds-кварковой материи (u, d, s quarks), т.е. странной кварковой
материи (СКМ). Энергия на барион для СКМ может быть ниже 930 MeV и в
этом случае СКМ более стабильна чем ядерная материя. ε0 = 140 MeV/fm
Вариант СКМ в качестве основного состояния материи для сильных
взаимодействий вместо 56Fe был предложен Бодмером (1971), Виттеном
(1984) и Теразавой (1990).
Современный статус гипотезы странной кварковой материи.
• Теоретические оценки показывают, что при плотности энергии
εq=(3-3.5)·ε0
ε0=140 МэВ/Фм3 – плотность ядерного вещества,
нуклоны в компактных звездных объектах типа
- нейтронных звезд,
- белых карликов,
- черных дыр
могут расплавляться, переходя в состояние кварк-глюонной плазмы.
• Уже при М=1.4·М плотности εq должны существовать в
нейтронных звездах при любой доступной скорости их
вращения.
• Если гипотеза СКМ реальна, нужно ожидать
существенный фоновый поток СКМ от столкновений
странных звезд в двоичных системах, которые в
конечном счете сталкиваются из-за потери углового
момента в результате гравитационного излучения.
• Если такие столкновения выбрасывают СКМ в
количестве не более 0.1M, то одно столкновение даст
поток ~10−6 A−1 v250 см−2 с−1 ср−1
(~ 10−6 см−2 с−1 ср−1, для А=1000 и v≈c),
предполагая, что СКМ распространена однородно в
галактической области радиуса 10 kpc.
• Оценка потока “странных” событий в эксперименте
АДРОН составляет:
~10-11 см-2сек-1ср-1.
Если СКМ является основным состоянием вещества, то в Галактике
должны присутствовать потоки “частиц” СКМ, которые в
зависимости от их скорости могут превращать нейтронные звезды в
кварковые. Тогда пульсары скорее являются вращающимися
странными звездами, а не нейтронными.
Iqэксп<< Iqтеорет?
Возможная причина лежит в оценке времени жизни СКМ.
Время жизни “стабильных частиц” СКМ.
Если идея суперсимметрии верна (ΔB≠0) и время жизни протона
τ~1032 лет,
то время жизни СКМ
τSQM~106 лет (E.Keith, E.Ma, 1996).
В этом случае τSQM<< τCR≈108 лет и только близкие одиночные
источники (A.Erlykin, A.Wolfindeyl, 1997) могут давать вклад в поток
КЛ вблизи Земли.
Спектры близких источников должны иметь форму бампов
(Е.Бережко и др., 1994).
Заключение:
Гипотеза СКМ имеет фундаментальное значение для астрофизики,
физики элементарных частиц и космологии, поэтому поиск СКМ в КЛ
является одной из наиболее приоритетных задач современной
физики.
Практическое использование:
Применение:
СКМ, если существует, допускает экзотермическую реакцию,
позволяющую “сжигать” любые ядра:
СКМ(B) +A → СКМ(B+A) + (50-100)·A МэВ
 могла бы решить энергетические проблемы на Земле и в космосе,
т.к. вода, камни (Луна?) могут использоваться как топливо.
 очистить Землю от технологических отходов, включая
радиоактивные.
• Проведенные исследования
позволяют лишь сформулировать
задачу поиска СКМ в КЛ.
• Для ее решения требуется новый
эксперимент с значительно большей
статистикой событий
ШАЛ+МЮОНЫ+РЭК+?.
СПАСИБО!