Горячее пятно

Ранее в архиве электронных препринтов была опубликована статья. Международная коллаборация Telescope Array объявила об открытии анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий. Одновременно в архиве электронных препринтов опубликована статья с подробным описанием результата. Анизотропия имеет вид пятна на небе, где из круга радиусом 20°пришло 19 частиц с энергией выше 5,7х10¹⁹ эВ при ожидаемых 4,5.

Прежде всего об установке. Telescope Array — массив из сцинтилляционных детекторов, покрывающих площадь около 700 км². Детекторы идут с шагом 1,2 км, всего их 507, площадь каждого — 3 м². Кроме сцинтилляционных детекторов установка включает оптические телескопы для регистрации флуоресцентного свечения. Подобные установки предназначены для регистрации широких атмосферных ливней частиц. Когда частица огромной энергии влетает в атмосферу и взаимодействует в ее верхних слоях, она вызывает каскад взаимодействий, рождающий миллиарды вторичных частиц. Чтобы зарегистрировать такой ливень и измерить его параметры, не обязательно плотно перекрывать поверхность- достаточно редкой сетки. Между прочим, энергия такой частицы (под 10²⁰ эВ) вполне макроскопическая, несколько джоулей. Как камешек 30 г, кинутый со скоростью 20 м/с. Порог детектирования по энергии для Telescope Array — 10¹⁸ эВ.

Сейчас Telescope Array — самая крупная в северном полушарии и вторая в мире по величине установка подобного типа (самая крупная -установка имени Пьера Оже в Аргентине). Она расположена в пустынной местности штата Юта.

Почему анизотропия ищется на столь огромных энергиях (почти на два порядка выше порога детектирования)? Она, конечно, ищется на всех энергиях, но на сверхвысоких она более естественна. Во-первых, такие частицы слабо отклоняются в магнитном поле Галактики. Во-вторых, они также меньше отклоняются и в межгалактическом магнитном поле, напряженность которого, правда, неизвестна. И в-третьих, такие частицы не прилетают с огромных расстояний, на которых Вселенная почти изотропна. Они приходят лишь с расстояния в десятки мега-парсек, на которых есть крупные скопления галактик и хорошо выражена местная крупномасштабная структура. Причина, по которой такие частицы не летают далеко, — эффект Грейзена — Зацепина — Кузьмина. Они взаимодействуют с фотонами реликтового излучения, рождая пи-мезоны и теряя на этом энергию. Порог, конечно же, плавный, и любое конкретное значение энергии весьма условно. Обычно упоминается величина 10²⁰ эВ.

Обнаружить анизотропию частиц такой энергии было бы чрезвычайно интересно. Во-первых, до сих пор точно не известно, где и как частицы ускоряются до таких энергий. Если обнаружить, откуда они летят, это бы сильно помогло выяснить их происхождение. Кроме того, видя источник в потоке заряженных частиц, можно было бы положить верхний предел на межгалактическое магнитное поле, а может быть, и измерить его.

Статистическая значимость горячего пятна вроде бы достаточно велика, чтобы обратить на него внимание. «В лоб» это будет 5,1 сигма, но если поставить вопрос правильно: «Какова вероятность случайного появления подобного пятна где-нибудь на небе?», то по оценке авторов статьи, значимость опустится до 3,4 сигма (вероятность- 1/3000) -а это уже не ахти что, многие эффекты подобной статистической значимости не подтвердились. Такого уровня достаточно, чтобы заявлять об открытии. Лично у меня вызывают подозрения следующие обстоятельства.

1. Величина эффекта подозрительно велика — 19 при среднем 4,5, то есть четырехкратное превышение над средним. По идее это должно означать, что в этом направлении находится нечто чудовищное, что должно легко идентифицироваться по другим проявлениям. Таковым объектом мог бы быть центр нашей галактики, но он совсем не там. Вообще, когда статистика невелика, первыми выплывают, естественно, очень сильные эффекты и потом обычно уплывают.

2. В направлении горячего пятна как раз нет ничего особо примечательного. Оно лежит в стороне от главного локального элемента крупномасштабной структуры и в стороне от ближайших крупных скоплений галактик. Единственное, что там есть, — «рукав» из галактик, соединяющий нашу группу со скоплением галактик в созвездии Девы. Если бы это было само скопление в Деве, было бы куда убедительней — это самое крупное близкое скопление галактик. Впрочем, есть надежда, что пятно как раз и может быть «образом» скопления в Деве, смещенном в сторону из-за магнитного поля нашей Галактики (частное сообщение Игоря Ткачева).

3. Порог обрезания по энергии 5,7х10¹⁹ взят априори — он позаимствован из эксперимента другой коллаборации. С методической точки зрения это правильно, но все-таки хотелось бы видеть, как меняется статистическая значимость в зависимости от этого порога. Такая картинка может помочь отличить статистическую флуктуацию от реального эффекта.

В свете подобных сомнений (которые авторы эксперимента наверняка понимают) и в виду небольшой статистической значимости, правомерен вопрос — стоит ли этот результат публикации и пресс-конференции, поднявшей волну в СМИ? Публикации этот результат, безусловно, заслуживает. К эффектам, которые не дотягивают до полного подтверждения (маргинально значимым), конечно должно привлекаться внимание научной общественности, и ничего постыдного в том, что он может рассосаться со временем — нет. Это обычная практика научных исследований. А вот, что касается поднятия волны в СМИ — тут есть определенные сомнения. С одной стороны, коллаборации нужны деньги на развитие установки, и внимание прессы может этому способствовать. С другой, стороны, если широкая публика увидит, что громкие заявления ученых слишком часто не подтверждаются, она вообще перестанет верить каким-либо заявлениям ученых. Короче, жизнь сложна.

Что касается перспектив — несомненно, в обозримое время ситуация с горячим пятном прояснится, и, даже если вывод не подтвердится, анизотропия рано или поздно будет обнаружена. Дело в том, что подобные установки могут почти неограниченно наращиваться — были бы деньги. В обозримом будущем Telescope Array вырастет в четыре раза. Вот тогда и посмотрим!