Пьер Виктор Оже (1899—1993) — французский ядерный физик, первооткрыватель широких атмосферных ливней
Однако во Вселенной протекают процессы (пока до конца непонятые нами), которые могут разгонять частицы до 1020 эВ и даже больше. Это десятки джоулей! По меркам микромира — колоссальная величина! Не всякий опытный теннисист сумеет приложить такую энергию к пущенному им мячу — а в микромире она приложена к одной-единственной элементарной частице (для сравнения: в теннисном мяче 1025 протонов и нейтронов). Вопрос о том, как космические лучи разгоняются до столь высоких энергий, пока остается без ответа.
Ни для кого не будет сюрпризом, что тараканов на свете больше, чем слонов. В некоторых домах популяция тараканов может превосходить всю мировую популяцию слонов. Чем крупнее животное, тем реже оно размножается. Похожая ситуация имеет место быть и в мире космических лучей. Чем выше энергия, тем реже такие частицы встречаются. Наиболее экзотические из них, с энергией быстролетящего теннисного мяча, попадают на площадку в один квадратный километр всего лишь раз в сотню лет. Чтобы регистрировать хотя бы несколько десятков суперчастиц в год, нужны гигантские комплексы детекторов.
Дети галактики
Частица может сразу родиться высокоэнергичной или же набрать энергию в процессе ускорения. В астрофизике известны два основных механизма разгона частиц. Один из них реализуется, например, в пульсарах и немного похож на работу земных ускорителей. Заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля, как бусинка на проволоке, а электрическое поле, возникающее из-за вращения замагниченной нейтронной звезды, ее разгоняет. Но у этого механизма есть предел. Чем выше становится энергия частицы, тем труднее магнитному полю ее удержать. Кроме того, частица норовит избавиться от излишка энергии, излучив его в виде электромагнитных волн. Такое излучение всегда возникает при ускоренном движении заряда, в том числе при движении по окружности или вдоль искривленных линий магнитного поля. Магнитары — очень сильно замагниченные нейтронные звезды — в принципе могли бы разгонять частицы до сверхвысоких энергий, но потери энергии на излучение все портят. Двигаясь по искривленным силовым линиям магнитного поля, частица быстро высвечивает (теряет) сообщаемую ей энергию и улетает навсегда, так и не удержав всю ту энергию, которая она могла бы «вместить».
Другой механизм ускорения частиц был предложен Энрико Ферми (E. Fermi) и носит его имя. В нем частицы разгоняются в области ударных волн, многократно пересекая их фронт. При прохождении ударной волны количество вещества остается постоянным, но сразу за фронтом волны оно сжимается и должно иметь меньшую скорость — точно так же автомобили в пробке расположены плотнее и движутся медленнее, чем за ее пределами. Частица, перескочив через фронт и столкнувшись с частицами по ту сторону ударной волны, приобретет дополнительную энергию. Если вдобавок в веществе есть магнитное поле, то заряженная частица может развернуться и перескочить через ударную волну еще раз. Так, прыгая туда-сюда много раз, частица увеличивает свою энергию, как мячик между двумя быстро сближающимися стенками.