Неуловимая антиматерия обнаружена в грозовых облаках

Для того чтобы провести исследования внутри штормового облака, исследователи используют самолёты и воздушные шары
(фото Matt "Murph" Murphy/Flickr).

Когда самолёт Джозефа Двайера (Joseph Dwyer) взял неправильный курс в грозовом облаке, эта ошибка чуть было не стоила ему и его коллегам жизни. Однако атмосферные физики не просто пролетели через пугающий шторм, но и неожиданно для скбя обнаружили необъяснимую подпись антиматерии.

Тот знаменательный полёт произошёл шесть лет назад, но лишь сейчас команда обнародовала результаты своей работы, назвав наблюдения настоящей головоломкой.

Как известно, мощные бури производят позитроны – античастицы электронов. Ключевой особенностью антиматерии является то, что, когда её частицы вступают в контакт с частицами обычной материи, они мгновенно трансформируются в другие частицы в процессе, известном как аннигиляция. Именно поэтому антивещество удаётся зафиксировать крайне редко.

Уже давно известно, что позитроны образуются при распаде радиоактивных атомов и из-за астрофизических явлений, таких как космические лучи, которые проникают в атмосферу из открытого космоса. За последнее десятилетие различные исследования показали: шторма и бури также производят позитроны, а кроме них высокоэнергетические фотоны, или γ-лучи.
Атмосферные γ-лучи были обнаружены благодаря оснащённому соответствующим детектором частиц самолёту Gulfstream V, принадлежащему Флоридскому технологическому институту в Мельбурне. 21 августа 2009 года пилоты отклонились от указанного радиолокатором курса, чтобы достичь побережья Джорджии.

"Мы пролетели прямо сквозь грозовую линию, – рассказывает Двайер. – Самолёт яростно мотало из стороны в сторону, и внезапно он рухнул вниз. Я действительно думал, что мы погибнем".

Во время этих страшных минут детектор и зафиксировал три всплеска γ-лучей с энергией порядка 511 кэВ и подпись позитронов, аннигилирующих с электронами.

Каждый из всплесков γ-лучей длился около одной пятой секунды; Двайер и его коллеги утверждают, что некоторые γ-лучи наблюдались на более низких энергиях. Группа пришла к выводу, что эти γ-лучи потеряли энергию в результате того, что им пришлось преодолеть некоторое расстояние прежде, чем облако позитронов (1-2 километра в поперечнике) окружило самолёт. Позднее, впрочем, физики не смогли выяснить, в ходе какого процесса образовалось такое облако. То есть что является источником позитронов, исследователи так и не смогли установить.

"Обнаруженное антивещество было настолько странным, что мы потратили на исследования и наблюдения несколько лет", – признался Двайер.

Электроны, выходящие из заряженных облаков, могут разгоняться до скорости, близкой к скорости света и могут производить высокоэнергетические γ-лучи, которые, в свою очередь, способны создавать пары электрон-позитрон, когда они попадают в атомное ядро. Однако при этом команда не обнаружила достаточно γ-лучей с энергией, которой было бы достаточно для этого процесса.

Другим вероятным объяснением является то, что позитроны возникли из-за космических лучей, разогнанных частиц из космоса, которые сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, образуя недолгоживущие потоки высокоэнергичных частиц, в том числе и γ-лучей. По мнению Двайера, может быть существует какой-то механизм, который затормаживает позитроны. Однако движение позитронов в этом случае должно было породить другие виды излучения, но их учёные не зафиксировали.

Существует и ещё одно объяснение. Если на деле облако было меньше, чем предположила команда Двайера, позитроны могли аннигилироваться лишь в непосредственной близости от самолёта или даже на самом самолёте. Крылья могли накопить заряд, цитирует Nature комментарий Александра Гуревича, профессора Физического института имени Лебедева. В результате чрезвычайно интенсивные электрические поля вокруг крыльев могли инициировать производство позитронов.

Чтобы ответить на эти и другие вопросы Двайер ищет возможности для новых наблюдений внутри грозовых туч. Для этого он и его коллеги посылают воздушные шары в самое сердце бурь, а Национальный научный фонд США даже планирует использовать для этого исследования оснащённый детектором частиц бронированный противотанковый самолёт A-10 Warthog, который может выдержать не только бой, но и негостеприимные условия окружающей среды.

"Внутренности грозы можно сравнить с причудливыми ландшафтами. – говорит Двайер. – И мы только начали их изучать".