Undersøgelse sætter grænser for strømmen af ​​tunge kompakte objekter ved hjælp af data fra Pi of the Sky-projektet

Strangelets, og specifikt nuklearitter, deres tunge arter, er meget tætte, kompakte og potentielt hurtige objekter lavet af store og stort set lige store antal op, ned og mærkelige kvarker, som kan bebo universet. Deres eksistens blev først antaget af Edward Witten tilbage i 1984. Disse objekter er aldrig blevet opdaget før og har hidtil tiltrukket sig mindre opmærksomhed end meteorer, måske på grund af deres manglende relevans i partikelfysik.

I slutningen af ​​1984 teoretiske fysikere Alvaro De Rujula og Sheldon Lee Glashow introducerede ideen om, at når de krydser jordens atmosfære, nuklearitter producerer lys på samme måde som meteorer, mister meget lidt af deres energi i processen. Hvis deres forudsigelse er rigtig, hold, der arbejder ved meteorobservatorier, bør være i stand til at bekræfte, om disse objekter eksisterer eller ej. Indtil nu, imidlertid, meget få forskere har udført undersøgelser, der undersøger denne mulighed.

Et anderledes kosmisk fænomen med rod i partikelfysik, kendt som kosmiske stråler med ultrahøj energi, deler nogle af de samme teoretiserede egenskaber ved nuklearitter. Disse kosmiske stråler, faktisk, producerer også lysspor i atmosfæren, selvom de gør dette via en anden fysisk proces. Ud over, de bevæger sig meget hurtigere end nukleariteter og observeres normalt i det ultraviolette (UV) bånd.

I modsætning til atomkraft, kosmiske stråler med ultrahøj energi er blevet opdaget før. Ikke desto mindre, de er et meget sjældent fænomen, med fluxer lavere end 1 partikel pr. kvadratkilometer pr. 100 år for de højeste energier. For at opdage dem, videnskabsmænd er derfor nødt til at overvåge store mængder af atmosfæren ved hjælp af store detektorer, hvilket i sidste ende også kan føre til opdagelse af nukleariteter.

Forskere ved RIKEN i Japan, det nationale center for nuklear forskning i Polen, Aix Marseille University-CNRS, det polske videnskabsakademi og universitetet i Warszawa har for nylig udført en søgning efter nukleariteter og andre tunge kompakte genstande baseret på fotografiske data indsamlet af "Pi of the Sky"-detektorerne ved INTA El Arenosillo testcenter i Mazagaon nær Huelva, Spanien og ved Las Campanas Observatory i Chile. Deres papir, journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.125.091101"> udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , introducerer et sæt grænser, der kan guide fremtidige søgninger efter tunge kompakte objekter i universet.

"Jeg stødte på ideen om at observere nuklearitter med et kamera, da jeg sluttede mig til JEM-EUSO-samarbejdet, som har til hensigt at bygge et orbitalt UV-teleskop, der overvåger jordens atmosfære, leder hovedsageligt efter kosmiske stråler, men også nuklearitter, meteorer og andre fænomener, " Lech Wiktor Piotrowski, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "En meget større volumen af ​​atmosfæren er synlig fra kredsløbet sammenlignet med observatorier på jorden, dermed er chancerne for opdagelse øget med en størrelsesorden."

Hovedformålet med den nylige undersøgelse af Piotrowski og hans kolleger var at opdage nukleariteter eller andre tunge kompakte genstande, der krydser atmosfæren på fotografier taget af Pi of the Sky-detektorerne, eller i det mindste at sætte grænser for deres flux, hvis deres søgning ikke gav positive resultater.

Mens det endelige UV-teleskop udviklet af JEM-EUSO-samarbejdet kunne hjælpe med studiet af adskillige kosmologiske fænomener, forskerne er endnu ikke begyndt at bruge det til at indsamle observationer (selvom dataene fra mindre forstadieeksperimenter i øjeblikket analyseres). I deres nylige undersøgelse, de besluttede således at bruge tilgængelige jorddata indsamlet som en del af Pi of the Sky -eksperimentet.

Forudsigelsen om, at atomiciteter producerer lys, når de krydser atmosfæren, er baseret på estimater af deres tæthed og potentielle hastighed. Denne egenskab kunne således deles af andre kosmologiske objekter af forskellig natur.

Siden De Rujula og Glashow introducerede deres teori tilbage i 1984, listen over objekter, der antages at efterlade lysspor i Jordens atmosfære, er vokset betydeligt, omfatter også objekter, der ikke er direkte relevante for partikelfysikområdet, såsom små primordiale sorte huller. Mens deres søgen efter atomkraft var frugtesløs, det gav Piotrowski og hans kolleger mulighed for at sætte en række grænser, der kunne indsnævre fremtidige søgninger efter både nukleariteter og andre tunge kompakte objekter i universet.

"I gymnasiet, læser en populær artikel om hypotetiske 'strangelets', og hvordan de kan ødelægge verden, overbeviste mig om, at jeg skulle blive partikelfysiker, " sagde Piotrowski. "Jeg er blevet en, men i processen, Jeg begyndte at tænke på, at jeg aldrig vil have noget at gøre med de fremmedarter. Derefter, et par år senere, takket være det arbejde, jeg udførte som en del af JEM-EUSO-samarbejdet, Jeg fandt ud af, at med arkivdata fra mit gamle himmelskuende eksperiment Pi of the Sky, Jeg kunne yde et væsentligt bidrag til emnet strangelets. Sådan blev dette papir født. "

Kerneideen bag undersøgelsen udført af Piotrowski og hans kolleger er ret enkel. Når man ser op på himlen om natten, han/hun skal teoretisk set være i stand til at se sporene af nuklearitter og andre tunge kompakte genstande, ligesom han/hun ser dem, der er efterladt af meteorer eller satellitter.

Sporene efterladt af nuklearitter og andre tunge kompakte genstande, imidlertid, skal være lidt anderledes. En nuklearit burde kunne passere gennem hele atmosfæren, således ville lyssporet, det efterlader, være meget langt og afgive en konstant lysstyrke, der kun ændrer sig baseret på den fysiske afstand med en observatør. Forskerne søgte efter disse lange stier i fotografier taget som en del af Pi of the Sky-eksperimentet.

"At se sådan et spor ville give os en kandidat, mens mangel på påvisninger ville give os mulighed for at sætte en grænse for strømmen af ​​nuklearitter og andre tunge kompakte genstande, "Piotrowski forklarede." Dette indebærer beregning af den samlede tid for himmelobservationer og en effektiv overflade af den observerede himmelens volumen, som afhænger af, at detektoren peger, samt på den antagelse, at objekterne kom fra alle mulige retninger, fra en enkelt retning eller fra nogle specifikke retningskonfigurationer. Endelig, grænsen skal omfatte detektorens detektionseffektivitet (som kan opnås gennem simuleringer), og information om, hvor godt vi kan skelne mellem objekterne af interesse og andre spor, såsom dem, der kommer fra meteorer og satellitter."

Pi of the Sky-detektoren tager billeder af himlen ved hjælp af CCD-kameraer med kommercielle fotografiske linser monteret på dem, uden nogen filtre. Det kan derfor samle billeder, der groft afspejler, hvad en menneskelig observatør ville se, når han kiggede op på himlen.

Detektorens eksponeringer varer cirka 10 sekunder, og kameraerne følger stjernernes bevægelse. Det kan således også bruges til at indsamle information om, hvordan atmosfærens volumen ændrede sig i løbet af natten.

"Under Pi of the Sky -eksperimentet, vi forudså ikke nogen forskning relateret til spor, og udførte en automatisk analyse af stjerner og stjernelignende transienter, hvorefter det meste af de rå data blev kasseret, " sagde Piotrowski. "De heldigvis resterende rådata, spænder over flere år og kameraer, blev brugt til analysen præsenteret i vores papir."

Forskerne analyserede alle de rå frames indsamlet af Pi of the Sky-detektoren, kasserer cirka 50 % af dem på grund af deres dårlige kvalitet. Efterfølgende, de søgte efter billeder af spor i de resterende rammer af god kvalitet, som omfattede 1766,05 timers observationer indsamlet af en enkelt, 20x20 graders kameraækvivalent. Deres søgning blev udført ved hjælp af en Hough-transform baseret algoritme specielt designet til at identificere spor i billeder.

"Vi har identificeret næsten 36 000 spor i dataene, hvoraf de fleste automatisk blev klassificeret som meteorer eller satellitter hovedsageligt baseret på variabiliteten af ​​deres lysstyrke (lysstyrken af ​​en nuklearit bør være næsten konstant), de resterende blev filtreret fra manuelt, efterlader 29 kandidater, " sagde Piotrowski. "Ni af dem blev fundet i et katalog over satellitter, efterlader 20 kandidater. I fremtidige dedikerede eksperimenter, disse kandidater kunne klassificeres yderligere baseret på deres hastighed, som ikke kan udledes af de analyserede 10 sekunders eksponeringer."

Da de data, forskerne brugte, ikke indeholdt oplysninger om hastighed, de var ude af stand til at afgøre, om de 20 kandidater, som de ikke kunne identificere, i virkeligheden er nukleariteter eller tunge kompakte genstande. Imidlertid, baseret på de tilgængelige data, de tror, ​​at muligheden for at de er tunge kompakte genstande er meget usandsynlig.

"Næsten alle de 20 resterende spor er kortere end 500 pixels (vores CCD er omkring 2000x2000 pixels), mens for nuklearitterne, vi forventer en næsten flad fordeling gennem alle mulige sporlængder, begrænset næsten kun ved indtræden i atmosfæren og kanten af ​​synsfeltet, "Forklarede Piotrowski." Kandidaterne er således sandsynligvis satellitter eller meteorer, med en del af et spor i vores kameraer for kort til at vise den karakteristiske variabilitet i lysstyrke. "

Baseret på de resultater, de hidtil har indsamlet, Piotrowski og hans kolleger antager, at de billeder, de analyserede, ikke indeholder spor af nuklearitter eller andre tunge kompakte genstande, derfor satte de sig for at sætte en grænse for deres flux baseret på de data, de havde til rådighed. At gøre dette, de beregnede den effektive overflade af atmosfærens volumen indeholdt i hver ramme, hvilket afhang af den retning et kamera pegede i, den hypotetiske masse af nuklearitter og den estimerede effektivitet af nuklearitdetektion ved brug af kameraets specifikke konfiguration.

Effektiviteten af ​​nuklearitdetektion blev beregnet ved at overlejre repræsentationer af nuklearitspor på rigtige billeder af himlen og køre den Hough-transformbaserede spordetektionsalgoritme på disse kunstige/simulerede data. Da nuklitter aldrig er blevet observeret før, simuleringsværktøjer er særligt nyttige til at studere dem og vise, hvordan de ville se ud.

Ultimativt, forskerne ændrede fluxgrænsen baseret på "separationseffektiviteten" (dvs. en estimeret værdi, der beskriver, hvor godt de ville være i stand til at skelne nuklearitspor fra lysspor produceret af meteorer, satellitter og andre almindeligt observerede objekter). Denne værdi blev afledt af længdefordelingen af ​​de 20 spor, som de ikke var i stand til at identificere under deres søgning.

"Krumningen af ​​vores grænselinje kommer fra to faktorer, " forklarede Piotrowski. "For det første, jo lavere nuklearitmasse, jo svagere den er, og jo lavere følsomhed har vores detektor. Denne effekt dominerer de lavere masser, hvor detektionseffektiviteten er meget lille. Sekund, jo tungere er nuklearitten, jo højere i atmosfæren det kan begynde at udsende lys. Dermed, det observerede rumfang af atmosfæren er større for tungere nuklearitter, giver mulighed for at sætte en bedre grænse for fluxen. Dette dominerer de højeste masser, hvor detektionseffektiviteten bliver masseuafhængig."

Eksotiske tilstande af stof, der ikke kan observeres direkte fra Jorden, har været i fokus for talrige tidligere forskningsundersøgelser. Afsløring af nye former for stoffer, der krydser atmosfæren, ville have vigtige konsekvenser for studiet af fysik, astrofysik, astronomi og potentielt også andre videnskabelige områder.

Grænserne for strømmen af ​​tunge kompakte objekter, som Piotrowski og hans kolleger har sat, kunne være et vigtigt skridt i retning af bedre at forstå tunge kompakte objekters art. For eksempel, de kunne vejlede fremtidige studier, der undersøger eksistensen af ​​stabilt kvarkstof i universet.

"Vi har nu også en eksperimentel bekræftelse på, at tunge kompakte genstande i det givne masseområde ikke kan krydse atmosfæren i stort antal, " sagde Piotrowski. "Dette er et udgangspunkt for verifikationen af ​​de specifikke modeller for hver tung kompakt objekttype og dens mulige kilde i universet. Men der er også en mere banal grund til den udførte undersøgelse. Indtil nu, det ser ud til, at ingen havde ledt efter tunge kompakte objekter i det analyserede masseområde; som videnskabsmænd, vi burde udforske sådan terra incognita, fordi ofte, noget nyt lurer der. Det gjorde det ikke denne gang, ikke med vores nuværende følsomhed, men dette var et første skridt. "

Den nylige undersøgelse udført af dette team af forskere viser også, at rent astrofysiske eksperimenter kan have stor værdi for studiet af partikelfysik. Mens astrofysik og partikelfysik er nært beslægtede, faktisk, ideerne introduceret af Witten, Rujula og Glashow i 1984 har stort set været uafprøvet eller behandlet af partikelfysikere i flere årtier.

I fremtiden, papiret forfattet af Piotrowski og hans kolleger kunne inspirere andre hold verden over til at søge efter nukleariteter eller andre tunge kompakte genstande. I mellemtiden, forskerne planlægger også at fortsætte med at udforske dette emne, for yderligere at indsnævre søgen efter undvigende kosmologiske objekter.

"De opnåede grænser kunne nu bruges og modificeres til at sætte begrænsninger på specifikke typer af tunge kompakte objekter og deres fordeling i galaksen/universet, "Sagde Piotrowski." For det andet, det er også vigtigt at forbedre grænserne. Dette vil blive gjort i fremtidige eksperimenter:on-ground dem dedikeret til formålet med at detektere tunge kompakte objekter, og orbitaler, der observerer enorme mængder af atmosfæren. "

© 2020 Science X Network