Научное сотрудничество обсерватории Пьера Оже, в том числе исследователи из Университета Делавэра, с беспрецедентной точностью измерили самую мощную из этих частиц - космические лучи сверхвысокой энергии. При этом они обнаружили «излом» в энергетическом спектре, который проливает больше света на возможное происхождение этих субатомных космических путешественников.
Выводы команды основаны на анализе 215030 событий анализа космических лучей с энергией выше 2,5 квинтиллионов электронвольт (эВ), зарегистрированных за последнее десятилетие обсерваторией Пьера Оже в Аргентине. Это самая большая в мире обсерватория для изучения космических лучей.
Новая спектральная особенность, излом в энергетическом спектре космических лучей около 13 квинтиллионов электрон-вольт, представляет собой нечто большее, чем просто точки на графике. Это приближает человечество на шаг ближе к разгадке загадок самых энергичных частиц в природе, по словам Фрэнка Шредера, доцента Исследовательского института Бартола факультета физики и астрономии Университета штата Вашингтон, который участвовал в исследовании при поддержке исследовательского фонда Делавэра. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
«С тех пор, как 100 лет назад были открыты космические лучи, возник давний вопрос: что ускоряет эти частицы?» - сказал Шредер. «Измерения, проведенные коллаборацией Пьера Оже, дают важные подсказки о том, что мы можем исключить как источник. Из предыдущей работы мы знаем, что ускоритель находится не в нашей галактике. С помощью этого последнего анализа мы можем дополнительно подтвердить наши более ранние указания на то, что сверхвысокие энергии космические лучи - это не только протоны водорода, но и смесь ядер более тяжелых элементов, и этот состав изменяется с изменением энергии».
Шредер и научный сотрудник UD Алан Коулман, которые участвовали в анализе данных, уже несколько лет являются членами коллаборации Пьера Оже. UD официально присоединился к сотрудничеству в качестве институционального члена в 2018 году. Эта команда, состоящая из более чем 400 ученых из 17 стран, управляет обсерваторией, которая занимает территорию площадью 1200 квадратных миль.
Обсерватория имеет более 1600 детекторов, называемых водно-черенковскими станциями, разбросанными по высоким равнинам Пампа Амарилла (Желтая прерия), за которыми наблюдают 27 телескопов. В совокупности эти инструменты измеряют энергию, выделяемую частицей космических лучей сверхвысокой энергии в атмосфере, и обеспечивают косвенную оценку ее массы. Все эти данные - энергия, масса и направление, откуда прибыли эти необычные частицы - дают важные подсказки об их происхождении.
Ранее ученые думали, что эти частицы космических лучей сверхвысокой энергии были в основном протонами водорода, но последний анализ подтверждает, что частицы имеют смесь ядер, некоторые из которых тяжелее кислорода или гелия, например кремний и железо.
На изогнутом графике, представляющем энергетический спектр космических лучей, вы можете увидеть изгиб - крутой сплющенный участок - между областью, называемой учеными «лодыжкой», и начальной точкой графика.
«У нас нет конкретного названия для этого», - сказал Коулман, входивший в команду из 20 человек, которая написала компьютерную программу и произвела обработку информации, необходимую для обширного анализа данных. «Я думаю, у нас не хватает частей анатомии, чтобы это можно было назвать», - шутя сказал он.
Принимая непосредственное участие в открытии, Коулман улучшил реконструкцию каскада частиц, который космические лучи создают при столкновении с атмосферой, чтобы оценить энергию. Он также провел подробные исследования, чтобы убедиться, что эта новая точка перегиба была реальной, а не артефактом детектора. Работа группы данных заняла более двух лет.
«Очевидно, это довольно незначительно», - сказал Коулман о призрачном изломе. «Но каждый раз, когда вы видите такой удар, это означает, что физика меняется, и это очень интересно».
По словам Коулмана, очень сложно определить массу падающих космических лучей. Но измерения, проведенные коллаборацией, настолько надежны и точны, что теперь можно исключить ряд других теоретических моделей происхождения космических лучей сверхвысокой энергии, в то время как другие пути можно использовать с большей энергией.
Активные ядра галактик (AGN) и галактики со вспышками звездообразования сейчас используются в качестве потенциальных источников. Хотя их типичное расстояние составляет около 100 миллионов световых лет, некоторые кандидаты находятся в пределах 20 миллионов световых лет.
«Если бы мы узнали об источниках, мы могли бы изучить новые подробности того, что происходит», - сказал Коулман. Что происходит, что позволяет получить эти невероятно высокие энергии? Эти частицы могут исходить от чего-то, чего мы даже не знаем".
Текущие исследования команды UD направлены на дальнейшее повышение точности измерения космических лучей сверхвысоких энергий и расширение точных измерений спектра космических лучей до более низких энергий. По словам Шредера, это создаст лучшее совпадение с другими экспериментами, такими как измерения космических лучей IceCube на Южном полюсе - еще одной уникальной обсерватории астрочастиц, в которой активно участвует Университет Делавэра.