Kiedy promieniowanie kosmiczne uderza w ziemską atmosferę, część energii wydaje się znikać. W ten sposób otwierają się drzwi do świata niedostępnego naszym przyrządom pomiarowym. Energia ta może zmieniać się w malutkie czarne dziury lub bezpośrednio w cząsteczki grawitacji, grawitony, które mogą przechodzić w wyższe niż trzeci wymiary.
Za pomocą nowej generacji akceleratorów i detektorów cząstek naukowcy mają nadzieję rozpocząć odkrywanie nowej fizyki. Teraz, zanim rozpoczną badania, pewnych wskazówek może dostarczyć nam badanie promieniowania kosmicznego.
„Przez badanie promieniowania kosmicznego możemy zagłębić się w fizykę wysokich energii, której prawa wykraczają poza tak zwany Model Standardowy słabych oddziaływań międzycząsteczkowych” – mówi Demos Kazanas z Goddard Space Flight Center w Greenbelt. – „To jest wręcz szansa na opracowanie teorii, która łączy teorię grawitacji z mechaniką kwantową, co jest od lat celem teoretyków i eksperymentatorów„.
Promieniowanie kosmiczne tworzą cząsteczki o największych energiach we Wszechświecie. Często są one miliard razy bardziej energetyczne niż cząsteczki uzyskiwane w akceleratorach na Ziemi. Jednak im większa energia promieniowania kosmicznego, tym trudniej je zaobserwować. Przeciętnie 10-krotny wzrost energii powoduje 60-krotny spadek występowania. Jednak powyżej energii 10^15,5 elektronowolta, 10-krotny wzrost energii wywołuje aż 100-krotny spadek częstości występowania. Różnicą tą zajęli się w swoich badaniach Kazanas i Argyris Nicolaidis.
Według naukowców, powyżej tej granicy zaczynają mieć znaczenie prawa nowej fizyki, które powodują, że część energii przekształca się w formy niewykrywalne za pomocą współczesnych technik detekcji promieniowania kosmicznego. Gdy promieniowanie zderza się z atomami atmosfery, rozpadają się one na elektrony i miony, które zderzają się z dalszymi jądrami atomów. Powstaje cały prysznic elektronów, fotonów, mionów i neutrino. Energię promieniowania oblicza się sumując energie kolizji.
Jeśli jednak część energii przeniesie się na inne cząsteczki, takie które nie są wykrywane przez detektory, wtedy energia powstała w wyniku sumowania będzie niższa od rzeczywistej.
Graniczna energia 10^15,5 eV odpowiada energii zderzenia 1 TeV. A powyżej tej wartości, model standardowy wymaga uzupełnień. Naukowcy twierdzą, że musi to być coś więcej niż tylko zbieg okoliczności.
Ale co cechuje tą nową fizykę? Kazanas i Nicolaidis wolą z braku dowodów nie precyzować tego tematu. Sugerują, że może to być supersymetria (symetria więżąca fermiony i bozony), technikolor (nowe mocne oddziaływanie występujące przy dużych energiach) albo przestrzeń może posiadać inne wymiary, w które wycieka energia pod postacią grawitonów. Choć wszystko to brzmi egzotycznie, takie hipotezy fizycy teoretycy rozważali od wielu lat.
Pomysły Kazanasa i Nicolaidisa będą mogły zostać sprawdzone. W 2006 roku ma zastać ukończony akcelerator Large Hadron Collider w CERN. Będzie to pierwszy akcelerator, w którym cząsteczki będą mogły osiągać energię powyżej 1 TeV. Zaproponowano też misję kosmiczną OWL, podczas której wykrywanoby niezmiernie rzadkie cząsteczki (zapewne tylko kilka tysięcy na rok) o energiach 10^20 eV.
