Brug af kosmiske neutronudbrud til at forstå gammastråleudbrud fra lyn

Analyse af data fra en lynkortlægger og en lille, håndholdt strålingsdetektor har uventet kastet lys over, hvordan et gammastråleudbrud fra lyn kan se ud - ved at observere neutroner genereret fra jord af meget store kosmiske stråler. Arbejdet fandt sted ved High Altitude Water Cherenkov (HAWC) Cosmic Ray Observatory i Mexico.

"Dette var en tilfældig opdagelse, " sagde Greg Bowers, en videnskabsmand ved Los Alamos National Laboratory og hovedforfatter af undersøgelsen offentliggjort i Geofysiske forskningsbreve . "Vi satte dette system op til at studere jordbaserede gammastråleglimt - eller gammastråleudbrud fra lyn - som typisk er så lyse, at du kan se dem fra rummet. Idéen var, at HAWC ville være følsom over for gammastråleudbruddene, så vi installerede en lynkortlægger for at fange anatomien i lynudviklingen og lokalisere lynprocesserne, der producerer dem."

Holdet, herunder Xuan-Min Shao og Brenda Dingus også fra Los Alamos, brugt en lille, håndholdt partikeldetektor, forventer, at et terrestrisk gammastråle-flash ville generere et klart gamma-strålesignal i småpartikeldetektoren.

"Vores system kørte i næsten to år, og vi så en masse lyn, " sagde Bowers. Men under disse storme, de observerede ikke noget, der lignede terrestriske gammastråleglimt. "Vi gjorde, imidlertid, se store tællehastighedsudbrud under klar, godt vejr dage, hvilket fik os til at klø os i hovedet."

HAWC-data indsamlet i disse tider viste, at i alle tilfælde, den store række, der omfatter HAWC, var blevet overvældet af ekstremt store kosmiske stråler - så store, at Los Alamos-forskerne ikke kunne estimere deres størrelse.

UC Santa Cruz samarbejdspartner David Smith fandt ud af, at disse udbrud i godt vejr tidligere var blevet observeret af videnskabsmænd i Rusland, der kaldte dem "neutronudbrud, " og fastslog, at de var resultatet af neutronproduktion i jorden omkring stødpunktet for brusekerner med kosmiske stråler.

Tidligere arbejde, der simulerede disse begivenheder, havde kun overvejet hadroner - en type subatomære partikler - i kernen af ​​bruserne. Ud over hadroner og andre partikler, brusekerner med kosmiske stråler indeholder også mange gammastråler.

Til dette arbejde, William Blaine, også af Los Alamos, simulerede store kosmiske strålebyger, og omfattede både hadroner og gammastråler. "Vi var i stand til at matche vores observationer med simuleringerne, " sagde Bowers. "Vi fandt ud af, at gammastrålerne producerer den samme type neutronudbrud som hadronerne."

Denne undersøgelse tyder på, at ethvert naturfænomen, der producerer en stråle af gammastråler, der peger mod jorden (såsom nedadgående terrestriske gammastråleblink), kunne producere en lignende "neutron burst" signatur. Dette er væsentligt for fremtidige terrestriske gammastråle-flashobservationsmodelleringsbestræbelser.

"Det fortæller os, at du ikke bare kan modellere gammastrålerne, der rammer din detektor, du bliver også nødt til at overveje neutronudbruddet, der sker i nærheden, " sagde Bowers.

HAWC-observatoriet omfatter en række vandfyldte tanke højt på flankerne af Sierra Negra-vulkanen i Puebla, Mexico, hvor den tynde atmosfære giver bedre betingelser for at observere gammastråler. Når gammastråler rammer molekyler i atmosfæren, producerer de byger af energiske partikler. Når nogle af disse partikler rammer vandet inde i HAWC-detektortankene, de producerer lysglimt kaldet Cherenkov-stråling. Ved at studere disse Cherenkov-glimt, forskere rekonstruerer kilderne til bruserne for at lære om de partikler, der forårsagede dem.