近日，物理學(xué)家針對(duì)大氣中μ子(一種不穩(wěn)定基本粒子)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果不符的現(xiàn)象，提出了一種新的解釋。這些μ子源于高能宇宙射線與地球大氣層的相互作用。

研究人員認(rèn)為，理論計(jì)算出現(xiàn)偏差的原因可能是低估了此類射線的能量。目前，宇宙射線的能量通常依據(jù)普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)模型規(guī)則和公式來估算，該模型描述了所有基本粒子的相互作用。然而，高能量下的新物理效應(yīng)導(dǎo)致宇宙射線能量估計(jì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，進(jìn)而使得預(yù)期的μ子數(shù)量不準(zhǔn)確。該研究由俄羅斯科學(xué)基金會(huì)(RSF)資助，研究結(jié)果已發(fā)表在《物理評(píng)論D》雜志上。

宇宙射線是具有巨大能量的基本粒子，持續(xù)從太空飛向地球。當(dāng)它們進(jìn)入大氣層時(shí)，與空氣物質(zhì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子(如質(zhì)子、中子、介子等)。這些粒子繼續(xù)相互作用或衰變，形成新一代粒子，最終形成所謂的大面積空氣簇射，即可以在地球表面用探測器探測到的粒子雪崩。

同時(shí)，大規(guī)模空氣簇射的產(chǎn)物——到達(dá)地球表面的粒子——攜帶著它們?cè)诖髿馍蠈有纬芍鞍l(fā)生的所有反應(yīng)的信息。因此，借助這些粒子可以研究宇宙射線的傳播特性和特征，以及高能基本粒子物理定律。然而，研究人員遇到了所謂的“μ子之謎”：地球上的探測器探測到的大氣中廣泛空氣簇射的產(chǎn)物之一μ子的數(shù)量，比計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測的要多得多。

俄羅斯科學(xué)院(莫斯科)核研究所和莫斯科國立M.V.羅蒙諾索夫大學(xué)的員工注意到，實(shí)驗(yàn)者通常根據(jù)地球上的電子數(shù)量來計(jì)算宇宙射線中初級(jí)粒子的能量。研究人員認(rèn)為，這種方法可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的估計(jì)。如果初級(jí)粒子的能量被低估(即計(jì)算值低于實(shí)際值)，那么在大氣中產(chǎn)生的μ子數(shù)量實(shí)際上會(huì)更大。這可能正是現(xiàn)代設(shè)施在實(shí)踐中所觀測到的現(xiàn)象。

“初級(jí)粒子的能量可能被低估，因?yàn)樵谧罡吣苡钪嫔渚€尺度上的物理學(xué)偏離了狹義相對(duì)論的預(yù)測。也就是說，具有普遍接受的粒子能量和動(dòng)量關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法錯(cuò)誤地恢復(fù)了能量。因此，我們假設(shè)在高能粒子流的情況下需要調(diào)整這一比例，”俄羅斯科學(xué)基金會(huì)資助項(xiàng)目的參與者、莫斯科國立大學(xué)研究生和俄羅斯科學(xué)院核研究所研究實(shí)習(xí)生安德烈·沙羅菲耶夫解釋說。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，物理學(xué)家利用一種新的、高能修正的能量和動(dòng)量關(guān)系，對(duì)廣泛空氣簇射的發(fā)展進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。結(jié)果表明，在這種情況下，實(shí)際上可以解決“μ子之謎”：能量低估效應(yīng)的模型幅度與研究廣泛空氣簇射的實(shí)驗(yàn)中測得的幅度相一致。

“盡管我們討論的是能量尺度上的物理學(xué)，而這些物理學(xué)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)下是完全不可信的，但我們提出的場景顯然是可以測試的。如果我們?cè)谠O(shè)施中測量介子光譜，并將其與考慮到初級(jí)粒子更高能量的模擬進(jìn)行比較，我們應(yīng)該會(huì)得到完全匹配的結(jié)果。但如果沒有發(fā)現(xiàn)相似之處，那么，我們提出的解釋仍然需要進(jìn)一步驗(yàn)證，”俄羅斯科學(xué)基金會(huì)資助項(xiàng)目的參與者、莫斯科國立大學(xué)的研究生和俄羅斯科學(xué)院核研究所的實(shí)習(xí)研究員尼古拉·馬爾蒂年科表示。