Ny funktion fundet i energispektret af universets mest kraftfulde partikler

Partikler mindre end et atom suser gennem universet næsten med lysets hastighed, sprængt ud i rummet fra noget, et eller andet sted, i kosmos.

Et videnskabeligt samarbejde mellem Pierre Auger Observatory, herunder forskere fra University of Delaware, har målt den kraftigste af disse partikler – ultrahøjenergi kosmiske stråler – med hidtil uset præcision. Derved, de har fundet et "knæk" i energispektret, der skinner mere lys på disse subatomære rumrejsendes mulige oprindelse.

Holdets resultater er baseret på analysen af ​​215, 030 kosmiske strålebegivenheder med energier over 2,5 kvintillion elektronvolt (eV), optaget i løbet af det seneste årti af Pierre Auger Observatory i Argentina. Det er det største observatorium i verden til at studere kosmiske stråler.

Den nye spektrale funktion, et knæk i det kosmiske stråleenergispektrum ved omkring 13 quintillion elektronvolt, repræsenterer mere end punkter plottet på en graf. Det bringer menneskeheden et skridt tættere på at løse mysterierne om de mest energiske partikler i naturen, ifølge Frank Schroeder, adjunkt ved Bartol Research Institute i UD's Institut for Fysik og Astronomi, der var involveret i undersøgelsen med støtte fra University of Delaware Research Foundation. Forskningen er publiceret i Fysiske anmeldelsesbreve og Fysik gennemgang D .

"Siden kosmiske stråler blev opdaget for 100 år siden, det længevarende spørgsmål har været, hvad accelererer disse partikler?" sagde Schroeder. "Pierre Auger-samarbejdets målinger giver vigtige hints om, hvad vi kan udelukke som kilden. Fra tidligere arbejde, vi ved, at acceleratoren ikke er i vores galakse. Gennem denne seneste analyse, vi kan yderligere bekræfte vores tidligere indikationer om, at ultrahøjenergi kosmiske stråler ikke kun er protoner af brint, men også en blanding af kerner fra tungere grundstoffer, og denne sammensætning ændrer sig med energi."

Mellem "anklen" og "tåen"

Schroeder og UD postdoc-forsker Alan Coleman, hvem har bidraget til dataanalysen, har været medlemmer af Pierre Auger-samarbejdet i flere år. UD tilsluttede sig officielt samarbejdet som et institutionelt medlem i 2018. Dette hold af mere end 400 videnskabsmænd fra 17 lande driver observatoriet, som optager en 1, 200 kvadratkilometer område, på størrelse med Rhode Island.

Observatoriet har mere end 1, 600 detektorer kaldet vand-Cherenkov-stationer spredt ud over højsletterne i Pampa Amarilla (den gule prærie), overset af 27 fluorescensteleskoper. I fællesskab disse instrumenter måler den energi, som en ultrahøjenergi kosmisk strålepartikel frigiver i atmosfæren og giver en indirekte evaluering af dens masse. Alle disse data – energi, masse og den retning, hvorfra disse ekstraordinære partikler ankom - giver vigtige spor om deres oprindelse.

Tidligere, videnskabsmænd troede, at disse ultra-højenergiske kosmiske strålepartikler for det meste var protoner af brint, men denne seneste analyse bekræfter, at partiklerne har en blanding af kerner - nogle tungere end oxygen eller helium, såsom silicium og jern, for eksempel.

Aftegnet på den kurvede graf, der repræsenterer det kosmiske stråleenergispektrum, du kan se knæk - en stejl, fladtrykt sektion - mellem det område, der af videnskabsmænd omtales som "anklen, " og begyndelsespunktet for grafen, kaldet "tåen".

"Vi har ikke et specifikt navn til det, " sagde Coleman, som var på det 20 mand store hold, der skrev computerkoden og lavede den talknusning, der krævedes til den omfattende dataanalyse. "Jeg formoder, at vi er ved at løbe tør for dele af anatomien for at kalde det, " han sagde, laver sjov.

Direkte involveret i fundet, Coleman forbedrede rekonstruktionen af ​​partikelkaskaden, som kosmiske stråler skaber, når de rammer atmosfæren, for at vurdere energien. Han udførte også detaljerede undersøgelser for at sikre, at dette nye bøjningspunkt var ægte og ikke en artefakt fra detektoren. Datagruppens arbejde tog mere end to år.

"Naturligvis, det er ret lille, Coleman sagde om det spektrale kink. "Men hver gang du ser et bump som dette, det signalerer, at fysikken ændrer sig, og det er meget spændende."

Det er meget svært at bestemme massen af ​​indkommende kosmiske stråler, sagde Coleman. Men samarbejdets måling er så robust og præcis, at en række andre teoretiske modeller for, hvor ultra-højenergiske kosmiske stråler kommer fra, nu kan elimineres, mens andre veje kan følges med mere energi.

Aktive galaktiske kerner (AGN) og starburst-galakser er nu i gang som potentielle kilder. Mens deres typiske afstand er omkring 100 millioner lysår væk, nogle få kandidater er inden for 20 millioner lysår.

"Hvis vi fandt ud af, hvad kilderne var, vi kunne undersøge nye detaljer om, hvad der foregår, " sagde Coleman. Hvad sker der, der tillader disse utroligt høje energier? Disse partikler kan komme fra noget, vi ikke engang kender."

Igangværende forskning fra UD-teamet fokuserer på yderligere at øge målenøjagtigheden af ​​ultra-højenergi kosmiske stråler og udvide den præcise måling af det kosmiske strålespektrum ned til lavere energier. Det ville skabe et bedre overlap med andre eksperimenter, Schroeder sagde, såsom de kosmiske strålemålinger af IceCube på Sydpolen - endnu et unikt astropartikelobservatorium med stor involvering af University of Delaware.