University of Delaware forskare är en del av ett samarbete som studerar kosmiska strålar. Förutom Cherenkov-detektortankar fyllda med vatten, Pierre Auger-observatoriet i Argentina har en andra typ av kosmisk strålfångare - fluorescensdetektorer. De laddade partiklarna i en luftdusch med kosmisk strålning interagerar med atmosfäriskt kväve, får den att avge ultraviolett ljus genom en process som kallas fluorescens, som är osynlig för det mänskliga ögat - men inte för denna optiska detektor. Kredit:University of Delaware
Partiklar mindre än en atom susar genom universum nästan med ljusets hastighet, sprängt ut i rymden från något, någonstans, i kosmos.
Ett vetenskapligt samarbete från Pierre Auger Observatory, inklusive forskare från University of Delaware, har mätt den mest kraftfulla av dessa partiklar – ultrahögenergi kosmiska strålar – med oöverträffad precision. Genom att göra så, de har hittat en "kink" i energispektrumet som lyser mer ljus på dessa subatomära rymdresenärers möjliga ursprung.
Teamets resultat är baserade på analysen av 215, 030 kosmiska strålhändelser med energier över 2,5 kvintiljon elektronvolt (eV), inspelad under det senaste decenniet av Pierre Auger Observatory i Argentina. Det är det största observatoriet i världen för att studera kosmiska strålar.
Den nya spektralfunktionen, en kink i det kosmiska strålenergispektrumet vid cirka 13 kvintiljoner elektronvolt, representerar mer än punkter plottade på en graf. Det för mänskligheten ett steg närmare att lösa mysterierna med de mest energiska partiklarna i naturen, enligt Frank Schroeder, biträdande professor vid Bartol Research Institute vid UD:s institution för fysik och astronomi, som var involverad i studien med stöd av University of Delaware Research Foundation. Forskningen är publicerad i Fysiska granskningsbrev och Fysik recension D .
På den här bilden före pandemin, UD-professor Frank Schroeder arbetar med kollegor för att installera en radioantenn på en av de kosmiska stråldetektorstationerna vid Pierre Auger-observatoriet, ligger nära Malargüe, Argentina. Kredit:University of Delaware
"Sedan kosmiska strålar upptäcktes för 100 år sedan, den långvariga frågan har varit, vad accelererar dessa partiklar?" sa Schroeder. "Pierre Auger Collaborations mätningar ger viktiga tips om vad vi kan utesluta som källan. Från tidigare arbete, vi vet att gaspedalen inte finns i vår galax. Genom denna senaste analys, vi kan ytterligare bekräfta våra tidigare indikationer på att kosmisk strålning med ultrahög energi inte bara är protoner av väte, men också en blandning av kärnor från tyngre grundämnen, och denna sammansättning förändras med energi."
Mellan "ankeln" och "tån"
Schroeder och UD postdoktor Alan Coleman, som bidrog till dataanalysen, har varit medlemmar i Pierre Auger Collaboration i flera år. UD gick officiellt med i samarbetet som en institutionell medlem 2018. Detta team av mer än 400 forskare från 17 länder driver observatoriet, som upptar en 1, 200 kvadratkilometer område, ungefär lika stor som Rhode Island.
En rad av detektorstationer för kosmisk strålning från Pierre Auger-observatoriet nära Malargüe, Argentina. University of Delaware är medlem i det internationella samarbetet som driver observatoriet, som omfattar mer än 400 forskare från 17 länder. Kredit:University of Delaware
Observatoriet har mer än 1, 600 detektorer som kallas vatten-Cherenkov-stationer spridda över högslätten i Pampa Amarilla (den gula prärien), förbises av 27 fluorescensteleskop. Kollektivt, dessa instrument mäter energin som en kosmisk strålpartikel med ultrahög energi släpper ut i atmosfären och ger en indirekt utvärdering av dess massa. Alla dessa data – energi, massa och riktningen från vilken dessa extraordinära partiklar kom – ger viktiga ledtrådar om deras ursprung.
Tidigare, forskare trodde att dessa kosmiska strålpartiklar med ultrahög energi mestadels var protoner av väte, men denna senaste analys bekräftar att partiklarna har en blandning av kärnor - vissa tyngre än syre eller helium, som kisel och järn, till exempel.
Ritad på kurvan som representerar energispektrumet för kosmisk strålning, du kan se vecket - en brant, tillplattad sektion - mellan området som av forskare hänvisas till som "ankeln, " och början av grafen, kallas "tån".
På den här bilden före pandemin, UD postdoktoralforskare Alan Coleman står vid en av Pierre Auger Observatorys 1, 600 stationer för kosmisk strålning, som är utspridda över 1, 200 kvadratkilometer av Pampa Amarilla. Den korrugerade metallen på toppen, kallas en scintillatorpanel, och den sfäriska radioantennen är båda sensorer för kosmiska strålar, medan den rektangulära antennen är för kommunikation med observatoriets centrala byggnad. Kredit:University of Delaware
"Vi har inget specifikt namn på det, sa Coleman, som var med i det 20-manna team som skrev datorkoden och gjorde den sifferknäppning som krävdes för den omfattande dataanalysen. "Jag antar att vi har slut på delar av anatomin för att kalla det, " han sa, skojar.
Direkt involverad i fyndet, Coleman förbättrade rekonstruktionen av partikelkaskaden, som kosmiska strålar skapar när de träffar atmosfären, för att uppskatta energin. Han utförde också detaljerade studier för att säkerställa att denna nya böjningspunkt var verklig och inte en artefakt av detektorn. Datagruppens arbete tog mer än två år.
"Självklart, det är ganska litet, " Coleman sa om spektral kinken. "Men varje gång du ser en bula som denna, som signalerar att fysiken förändras och det är väldigt spännande."
Det är väldigt svårt att bestämma massan av inkommande kosmiska strålar, sa Coleman. Men samarbetets mätning är så robust och exakt att en rad andra teoretiska modeller för varifrån ultrahögenergi kosmiska strålar kommer ifrån nu kan elimineras, medan andra vägar kan följas med mer kraft.
Forskare spekulerar i att aktiva galaktiska kärnor kan vara en källa till kosmiska strålar med ultrahög energi. Aktiva galaktiska kärnor är supermassiva svarta hål i mitten av galaxer, som har gigantiska strålar av materia som flyr och faller ner i det svarta hålet. Centaurus A, visas här, är ett exempel på denna galaxklass i vårt galaktiska område mindre än 20 miljoner ljusår från jorden. Kredit:University of Delaware
Flödet av kosmiska strålar är beroende av deras energi. Ju högre energi, desto sällsyntare är de kosmiska strålarna. Dock, den större figuren visar att detta förhållande inte är jämnt. Flera funktioner indikerar att något händer vid olika energier, kallad informellt av forskare som "knä, "ankeln" och "tån, " tillsammans med den "nya kinken, ” mätt av Pierre Auger Observatory Collaboration. Insatsen visar denna nya mätning i detalj. Varje egenskap kan tolkas som en förändring i sammansättningen av kosmiska strålar vid respektive energi. Kredit:University of Delaware
Aktiva galaktiska kärnor (AGN) och starburst-galaxer är nu igång som potentiella källor. Medan deras typiska avstånd är cirka 100 miljoner ljusår bort, några få kandidater är inom 20 miljoner ljusår.
"Om vi fick reda på vad källorna var, vi skulle kunna undersöka nya detaljer om vad som händer, "Sa Coleman. Vad händer som tillåter dessa otroligt höga energier? Dessa partiklar kan komma från något vi inte ens vet."
Pågående forskning av UD-teamet fokuserar på att ytterligare öka mätnoggrannheten för kosmiska strålar med ultrahög energi och utöka den exakta mätningen av det kosmiska strålspektrumet ner till lägre energier. Det skulle skapa en bättre överlappning med andra experiment, Schröder sa, som de kosmiska strålmätningarna av IceCube på Sydpolen – ett annat unikt astropartikelobservatorium med stor inblandning av University of Delaware.
