Введение

Теоретический верхний предел энергии протонов космических лучей.
Предел Грейзен — Зацепина — Кузьмина (GZK-лимит или GZK-отсечка) — это теоретический верхний предел энергии протонов космических лучей, приходящих из других галактик через межгалактическую среду в нашу галактику. Этот предел составляет 5 (50 ЭэВ), или около 8 джоулей (энергия протона, движущегося со скоростью ≈ 99,99999999999999999998% скорости света). Предел обусловлен замедляющим эффектом взаимодействия протонов с микроволновым фоновым излучением на больших расстояниях (≈ 160 миллионов световых лет). Предел находится в том же порядке величины, что и верхний предел энергии, при которой космические лучи были экспериментально зарегистрированы, хотя некоторые зарегистрированные события, по-видимому, превысили этот предел, как указано ниже. Например, один из самых энергичных космических лучей, известный как частица «О, Боже мой», обладает рекордной энергией в 3,12 (50 джоулей) (примерно равной кинетической энергии бейсбольного мяча, летящего со скоростью 95 км/ч). Точное значение GZK-лимита выводится из предположения, что ультравысокоэнергетические космические лучи состоят из протонов. Однако измерения, проведенные крупнейшей обсерваторией космических лучей — обсерваторией Пьера Огера, показывают, что большинство ультравысокоэнергетических космических лучей — это более тяжелые элементы, известные как HZE-ионы. В этом случае аргументация, лежащая в основе GZK-лимита, не применима в своей первоначальной простоте. Тем не менее, как отметил Грейзен, гигантский дипольный резонанс также возникает примерно в этом энергетическом диапазоне (при 10 ЭэВ/нуклон) и аналогичным образом ограничивает распространение на очень большие расстояния. В прошлом кажущееся нарушение GZK-лимита вдохновляло космологов и теоретических физиков на поиск других способов его преодоления. Эти теории предполагают, что ультравысокоэнергетические космические лучи генерируются вблизи нашей галактики или что ковариантность Лоренца нарушается таким образом, что протоны не теряют энергию на пути к нам.

Слабо взаимодействующие частицы

Другое предложение связано со сверхвысокоэнергетическими слабо взаимодействующими частицами (например, нейтрино), которые могут создаваться на больших расстояниях и впоследствии локально взаимодействовать, порождая наблюдаемые частицы. В предложенной модели Z-всплеска, сверхвысокоэнергетическое космическое нейтрино сталкивается с реликвией антинейтрино в нашей галактике и аннигилирует в адроны. Этот процесс происходит посредством (виртуального) Z-бозона:

Поперечное сечение для этого процесса становится большим, если энергия в системе центра масс пары нейтрино-антинейтрино равна массе Z-бозона (такой пик в поперечном сечении называется "резонансом"). Предполагая, что реликвией антинейтрино покоится, энергия падающего космического нейтрино должна быть

где – масса Z-бозона, а – масса нейтрино.

Другие теории

Для объяснения наблюдений AGASA было предложено несколько экзотических теорий, включая двойную специальную теорию относительности. Однако сейчас установлено, что стандартная двойная специальная теория относительности не предсказывает подавления ГЗК (или границы ГЗК), вопреки моделям нарушения симметрии Лоренца, предполагающим существование абсолютной системы отсчета. Другие возможные теории связывают это с темной материей или распадами экзотических сверхтяжелых частиц, не входящих в Стандартную модель.

Спор о космических лучах выше предела GZK

Подавление потока космических лучей, которое может быть объяснено пределом GZK, было подтверждено последним поколением космических лучевых обсерваторий. Предыдущее утверждение эксперимента AGASA об отсутствии подавления было опровергнуто. Остается дискуссионным вопрос, связано ли подавление с эффектом GZK. Предел GZK применим только в том случае, если ультравысокоэнергетические космические лучи состоят преимущественно из протонов. В июле 2007 года, во время 30-й Международной конференции по космическим лучам в Мериде, Юкатан, Мексика, Эксперимент высокого разрешения «Глаз мухи» (HiRes) и Обсерватория Пьера Оже (Auger) представили свои результаты по ультравысокоэнергетическим космическим лучам. HiRes зафиксировал подавление в спектре UHECR на ожидаемой энергии, наблюдая лишь 13 событий с энергией выше порога, в то время как при отсутствии подавления ожидалось 43. Это было интерпретировано как первое наблюдение предела GZK. Auger подтвердил подавление потока, но не стал утверждать, что это предел GZK: вместо 30 событий, необходимых для подтверждения результатов AGASA, Auger обнаружил только два, которые предположительно являются событиями с тяжелыми ядрами. Ранее подавление потока подверглось сомнению, когда эксперимент AGASA не обнаружил его в своем спектре. По словам Алана Уотсона, бывшего представителя коллаборации Auger, результаты AGASA оказались ошибочными, возможно, из-за систематической погрешности в определении энергии. В 2010 году и в последующие годы Обсерватория Пьера Оже и HiRes вновь подтвердили подавление потока, причем в случае Обсерватории Пьера Оже эффект статистически значим на уровне 20 стандартных отклонений. После установления факта подавления потока развернулась острая дискуссия о том, являются ли космические лучи, нарушающие предел GZK, протонами. Обсерватория Пьера Оже, крупнейшая в мире обсерватория, с высокой статистической значимостью установила, что ультравысокоэнергетические космические лучи не состоят исключительно из протонов, а представляют собой смесь элементов, которая становится тяжелее с ростом энергии. Однако это утверждение основано на данных с меньшей статистической значимостью. Площадь, охватываемая Telescope Array, составляет около трети площади Обсерватории Пьера Оже, при этом последняя работает уже дольше. Спор был частично разрешен в 2017 году, когда совместная рабочая группа, сформированная из членов обоих экспериментов, представила доклад на 35-й Международной конференции по космическим лучам. Согласно докладу, исходные экспериментальные результаты не противоречат друг другу. Различные интерпретации в основном обусловлены использованием различных теоретических моделей и тем фактом, что Telescope Array еще не накопил достаточно событий для различения гипотезы о чистых протонах и гипотезы о смешанных ядрах.

Космическая обсерватория экстремальной вселенной на японском экспериментальном модуле (JEM-EUSO)

EUSO, запуск которого на Международную космическую станцию (МКС) был запланирован на 2009 год, был разработан для использования метода атмосферной флуоресценции с целью мониторинга огромной площади и существенного увеличения статистики событий UHECR. EUSO должен провести глубокое исследование обширных воздушных ливней (EAS), вызванных UHECR, из космоса, расширив измеренный энергетический спектр далеко за пределы GZK-отсечки. Целью является поиск источника UHECR, определение природы этого источника, создание обзора направления прихода UHECR по всему небу и попытка открыть астрономическое окно в область сверхвысоких энергий с помощью нейтрино. Судьба обсерватории EUSO остается неопределенной, поскольку NASA рассматривает возможность преждевременного вывода МКС из эксплуатации.

Космический телескоп Ферми для выявления противоречий

Запущенный в июне 2008 года космический гамма-телескоп Ферми (ранее GLAST) также предоставит данные, которые помогут разрешить эти противоречия. Космический гамма-телескоп Ферми позволяет обнаружить гамма-лучи от недавно ускоренных ядер космических лучей непосредственно в месте их ускорения (источнике Сверхвысокоэнергетических космических лучей – UHECR). Протоны UHECR, ускоренные (см. также центробежный механизм ускорения) в астрофизических объектах, при распространении в космическом микроволновом и инфракрасном фоне генерируют вторичные электромагнитные каскады, одним из компонентов которых является процесс производства пионов GZK. Такие каскады могут составлять от 1% до 50% от диффузного потока фотонов в диапазоне энергий от ГэВ до ТэВ, измеренного экспериментом EGRET. Космический гамма-телескоп Ферми может обнаружить этот поток.

Возможные источники СВЭКР

В ноябре 2007 года исследователи обсерватории Пьера Огера объявили о наличии свидетельств того, что ультравысокоэнергетические космические лучи (UHECR) кажутся исходить из активных галактических ядер (AGN) мощных галактик, энергия которых обеспечивается веществом, вращающимся вокруг сверхмассивной черной дыры. Космические лучи были зарегистрированы и их траектории прослежены до AGN с использованием каталога Véron–Cetty–Véron. Результаты опубликованы в журнале Science. Однако, сила корреляции с AGN из этого конкретного каталога для данных, собранных обсерваторией Auger после 2007 года, постепенно снижается.