Strangelets, och specifikt nukleariter, deras tunga arter, är mycket täta, kompakta och potentiellt snabba föremål gjorda av stora och ungefär lika många upp, dun och konstiga kvarkar, som kan bebo universum. Deras existens antogs först av Edward Witten redan 1984. Dessa föremål har aldrig upptäckts tidigare och har hittills tilldragit sig mindre uppmärksamhet än meteorer, kanske på grund av deras bristande relevans inom partikelfysik.

I slutet av 1984 teoretiska fysiker Alvaro De Rujula och Sheldon Lee Glashow introducerade idén att, när man korsar jordens atmosfär, nukleariter producerar ljus på liknande sätt som meteorer, förlorar mycket lite av sin energi i processen. Om deras förutsägelse är rätt, team som arbetar vid meteorobservatorier bör kunna bekräfta om dessa objekt finns eller inte. Än så länge, dock, mycket få forskare har genomfört studier som undersöker denna möjlighet.

Ett annat kosmiskt fenomen med rötter i partikelfysik, känd som ultrahögenergi kosmiska strålar, delar några av samma teoretiserade egenskaper hos nukleariter. Dessa kosmiska strålar, faktiskt, producerar också spår av ljus i atmosfären, även om de gör detta via en annan fysisk process. Dessutom, de rör sig mycket snabbare än nukleariteter och observeras vanligtvis i det ultravioletta (UV) bandet.

Till skillnad från kärnkraft, kosmiska strålar med ultrahög energi har upptäckts tidigare. Ändå, de är ett mycket sällsynt fenomen, med flöden lägre än 1 partikel per kvadratkilometer per 100 år för de högsta energierna. För att upptäcka dem, forskare måste därför övervaka stora volymer av atmosfären med hjälp av stora detektorer, vilket så småningom också kan leda till upptäckt av kärnkraft.

Forskare vid RIKEN i Japan, National Center for Nuclear Research i Polen, Aix Marseille University-CNRS, polska vetenskapsakademin och universitetet i Warszawa har nyligen genomfört en sökning efter kärnkraft och andra tunga kompakta föremål baserat på fotografiska data som samlats in av "Pi of the Sky"-detektorerna vid INTA El Arenosillo testcenter i Mazagaon nära Huelva, Spanien och vid Las Campanas-observatoriet i Chile. Deras papper, journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.125.091101"> publicerad i Fysiska granskningsbrev , introducerar en uppsättning gränser som kan styra framtida sökningar efter tunga kompakta föremål i universum.

"Jag kom på idén att observera kärnämnen med en kamera när jag gick med i JEM-EUSO-samarbetet, som har för avsikt att bygga ett orbitalt UV-teleskop som övervakar jordens atmosfär, letar främst efter kosmiska strålar, men även nukleariter, meteorer och andra fenomen, " Lech Wiktor Piotrowski, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En mycket större volym av atmosfären är synlig från omloppsbanan jämfört med observatorierna på marken, sålunda ökar chanserna för upptäckt med en storleksordning."

Huvudsyftet med den senaste studien av Piotrowski och hans kollegor var att upptäcka kärnkraft eller andra tunga kompakta föremål som korsar atmosfären i fotografier tagna av Pi of the Sky-detektorerna, eller att åtminstone sätta gränser för deras flöde, om deras sökning inte gav några positiva resultat.

Medan det slutliga UV-teleskopet som utvecklats av JEM-EUSO-samarbetet skulle kunna hjälpa studien av många kosmologiska fenomen, forskarna har ännu inte börjat använda den för att samla in observationer (även om data från mindre prekursorexperiment för närvarande analyseras). I deras senaste studie, de bestämde sig därför för att använda tillgängliga markdata som samlats in som en del av Pi of the Sky-experimentet.

Förutsägelsen att kärnkrafter producerar ljus när de passerar atmosfären är baserad på uppskattningar av deras densitet och potentiella hastighet. Denna egenskap skulle alltså kunna delas av andra kosmologiska objekt av olika natur.

Sedan De Rujula och Glashow introducerade sin teori redan 1984, listan över objekt som antas lämna ljusspår i jordens atmosfär har vuxit avsevärt, inklusive objekt som inte är direkt relevanta för partikelfysikområdet, som små ursvarta hål. Medan deras sökande efter kärnkraft var fruktlöst, det gjorde det möjligt för Piotrowski och hans kollegor att sätta en rad gränser som kunde begränsa framtida sökningar efter både kärnkraft och andra tunga kompakta föremål i universum.

"På gymnasiet, läser en populär artikel om hypotetiska "strangelets" och hur de kan förstöra världen, övertygade mig om att jag borde bli partikelfysiker, " sade Piotrowski. "Jag har blivit en, men i processen, Jag började tänka att jag aldrig kommer att ha något att göra med de där främlingarna. Sedan, några år senare, tack vare det arbete jag utförde som en del av JEM-EUSO-samarbetet, Jag fick reda på att med arkivdata från mitt gamla himmelskådande experiment Pi of the Sky, Jag skulle kunna ge ett betydande bidrag till ämnet strangelets. Det är så denna tidning föddes."

Kärnidén bakom den studie som Piotrowski och hans kollegor genomförde är ganska enkel. När man tittar upp mot himlen på natten, han/hon bör teoretiskt sett kunna se spåren av nukleariter och andra tunga kompakta föremål, precis som han/hon ser de som lämnats av meteorer eller satelliter.

Spåren som lämnats av nukleariter och andra tunga kompakta föremål, dock, bör vara lite annorlunda. En nuklearit borde kunna passera genom hela atmosfären, sålunda skulle ljusspåret den lämnar vara mycket lång och avge en konstant ljusstyrka som bara ändras baserat på det fysiska avståndet med en observatör. Forskarna sökte efter dessa långa spår i fotografier tagna som en del av Pi of the Sky-experimentet.

"Att se ett sådant spår skulle ge oss en kandidat, medan en brist på upptäckter skulle göra det möjligt för oss att sätta en gräns för flödet av nukleariter och andra tunga kompakta föremål, " förklarade Piotrowski. "Detta innebär att beräkna den totala tiden för himmelobservationer och en effektiv yta av den observerade himlens volym, vilket beror på att detektorn pekar, samt under antagandet att föremålen kom från alla möjliga håll, från en enda riktning eller från vissa specifika riktningskonfigurationer. Till sist, gränsen måste inkludera detektorns detekteringseffektivitet (som kan erhållas genom simuleringar), och information om hur väl vi kan skilja mellan objekten av intresse och andra spår, som de som kommer från meteorer och satelliter."

Pi of the Sky-detektorn tar bilder av himlen med hjälp av CCD-kameror med kommersiella fotografiska linser monterade på dem, utan några filter. Den kan därför samla bilder som ungefär speglar vad en mänsklig observatör skulle se när han tittade upp mot himlen.

Detektorns exponeringar varar i cirka 10 sekunder och dess kameror följer stjärnornas rörelse. Den kan därmed också användas för att samla in information om hur volymen av atmosfären förändrades under nattens lopp.

"Under Pi of the Sky-experimentet, vi förutsåg ingen forskning relaterad till spår, och utförde en automatisk analys av stjärnor och stjärnliknande transienter, varefter det mesta av rådata kasserades, " sade Piotrowski. "De lyckligtvis återstående rådata, spänner över flera år och kameror, användes för analysen som presenteras i vår artikel."

Forskarna analyserade alla råa ramar som samlats in av Pi of the Sky-detektorn, kasserar cirka 50 % av dem på grund av deras dåliga kvalitet. Senare, de sökte efter bilder av spår i de återstående ramarna av god kvalitet, som inkluderade 1766,05 timmar av observationer samlade av en enda, 20x20 graders kamera motsvarande. Deras sökning utfördes med hjälp av en Hough-transformbaserad algoritm speciellt utformad för att identifiera spår i bilder.

"Vi har identifierat nästan 36, 000 spår i data, varav de flesta automatiskt klassificerades som meteorer eller satelliter främst baserat på variabiliteten av deras ljusstyrka (ljusstyrkan hos en nuklearit bör vara nästan konstant), de återstående filtrerades bort manuellt, lämnar 29 kandidater, " sade Piotrowski. "Nio av dem hittades i en katalog över satelliter, lämnar 20 kandidater. I framtida dedikerade experiment, dessa kandidater skulle kunna klassificeras ytterligare baserat på deras hastighet, som inte kan härledas från de analyserade 10 sekunders exponeringarna."

Eftersom data som användes av forskarna inte inkluderade någon information relaterad till hastighet, de kunde inte avgöra om de 20 kandidaterna som de inte kunde identifiera i själva verket är kärnkraft eller tunga kompakta föremål. Dock, baserat på de uppgifter som är tillgängliga för dem, de tror att möjligheten att de är tunga kompakta föremål är högst osannolik.

"Nästan alla de 20 återstående spåren är kortare än 500 pixlar (vår CCD är ungefär 2000x2000 pixlar), medan det gäller nukleariterna, vi förväntar oss en nästan jämn fördelning över alla möjliga spårlängder, begränsas nästan bara av punkten för inträde i atmosfären och kanten av synfältet, " förklarade Piotrowski. "Kandidaterna är alltså troligen satelliter eller meteorer, med en del av ett spår i våra kameror för kort för att visa den karakteristiska variationen av ljusstyrka."

Baserat på de resultat de samlat in hittills, Piotrowski och hans kollegor antar att bilderna de analyserade inte innehåller några spår av nukleariter eller andra tunga kompakta föremål, sålunda satte de sig för att sätta en gräns för sitt flöde baserat på de uppgifter som var tillgängliga för dem. Att göra detta, de beräknade den effektiva ytan av atmosfärens volym som finns i varje ram, som berodde på riktningen en kamera pekade i, den hypotetiska massan av nukleariter och den uppskattade effektiviteten av nuklearitdetektering med hjälp av kamerans specifika konfiguration.

Effektiviteten för nuklearitdetektering beräknades genom att överlagra representationer av nuklearitspår på verkliga bilder av himlen och köra den Hough-transformbaserade spårdetekteringsalgoritmen på denna artificiella/simulerade data. Eftersom nukleariter aldrig har observerats tidigare, simuleringsverktyg är särskilt användbara för att studera dem och visa hur de skulle se ut.

I sista hand, forskarna ändrade flödesgränsen baserat på "separationseffektiviteten" (dvs. ett uppskattat värde som beskriver hur väl de skulle kunna skilja nuklearitspår från ljusspår producerade av meteorer, satelliter och andra ofta observerade objekt). Detta värde härleddes från längdfördelningen av de 20 spår som de inte kunde identifiera under sin sökning.

"Krökningen av vår gränslinje kommer från två faktorer, " förklarade Piotrowski. "Först, ju lägre nuklearitmassa, ju svagare det är och desto lägre känslighet har vår detektor. Denna effekt dominerar de lägre massorna, där detektionseffektiviteten är mycket liten. Andra, desto tyngre är nukleariten, ju högre upp i atmosfären kan den börja avge ljus. Således, den observerade atmosfärens volym är större för tyngre nukleariter, vilket gör det möjligt att sätta en bättre gräns för flödet. Detta dominerar de högsta massorna, där detektionseffektiviteten blir massoberoende."

Exotiska tillstånd av materia som inte kan observeras direkt från jorden har varit i fokus för många tidigare forskningsstudier. Att avslöja nya former av ämnen som korsar atmosfären skulle få viktiga konsekvenser för fysikstudier, astrofysik, astronomi och potentiellt även andra vetenskapliga områden.

De gränser för flödet av tunga kompakta föremål som sattes av Piotrowski och hans kollegor kan vara ett viktigt steg mot att bättre förstå karaktären hos tunga kompakta föremål. Till exempel, de skulle kunna vägleda framtida studier som undersöker förekomsten av stabil kvarkmateria i universum.

"Vi har nu också en experimentell bekräftelse på att tunga kompakta föremål i det givna massintervallet inte kan passera atmosfären i stort antal, " sade Piotrowski. "Detta är en utgångspunkt för verifiering av de specifika modellerna för varje tung kompakt objekttyp och dess möjliga källa i universum. Men det finns också en mer vardaglig anledning till den genomförda studien. Tills nu, det verkar som om ingen hade sökt efter tunga kompakta föremål i det analyserade massområdet; som vetenskapsmän, vi borde utforska sådan terra incognita, eftersom ofta, något nytt lurar där. Det gjorde det inte den här gången, inte med vår nuvarande känslighet, men det här var ett första steg."

Den nyligen genomförda studien som genomfördes av detta team av forskare bevisar också att rent astrofysiska experiment kan vara av stort värde för studiet av partikelfysik. Medan astrofysik och partikelfysik är nära besläktade, faktiskt, idéerna som introducerades av Witten, Rujula och Glashow 1984 har förblivit i stort sett oprövade eller behandlade av partikelfysiker i flera decennier.

I framtiden, uppsatsen författad av Piotrowski och hans kollegor kan inspirera andra team över hela världen att söka efter kärnkraft eller andra tunga kompakta föremål. Under tiden, forskarna planerar att fortsätta utforska detta ämne också, för att ytterligare begränsa sökandet efter svårfångade kosmologiska objekt.

"De erhållna gränserna kunde nu användas och modifieras för att sätta begränsningar på specifika typer av tunga kompakta föremål och deras fördelning i galaxen/universum, " sade Piotrowski. "För det andra, det är också viktigt att förbättra gränserna. Detta kommer att göras i framtida experiment:de på marken dedikerade till syftet att upptäcka tunga kompakta föremål, och orbitala sådana som observerar enorma volymer av atmosfären."

© 2020 Science X Network