Los investigadores de la Universidad de Delaware son parte de una colaboración que estudia los rayos cósmicos. Además de los tanques detectores Cherenkov llenos de agua, el Observatorio Pierre Auger en Argentina tiene un segundo tipo de receptor de rayos cósmicos:los detectores de fluorescencia. Las partículas cargadas en una lluvia de aire de rayos cósmicos interactúan con el nitrógeno atmosférico, haciendo que emita luz ultravioleta a través de un proceso llamado fluorescencia, que es invisible para el ojo humano, pero no para este detector óptico. Crédito:Universidad de Delaware
Partículas más pequeñas que un átomo se precipitan por el universo casi a la velocidad de la luz, lanzado al espacio desde algo, algun lado, en el cosmos.
Una colaboración científica del Observatorio Pierre Auger, incluidos investigadores de la Universidad de Delaware, ha medido la más poderosa de estas partículas, los rayos cósmicos de energía ultra alta, con una precisión sin precedentes. Al hacerlo, han encontrado una "torcedura" en el espectro de energía que está arrojando más luz sobre los posibles orígenes de estos viajeros espaciales subatómicos.
Los hallazgos del equipo se basan en el análisis de 215, 030 eventos de rayos cósmicos con energías superiores a 2,5 quintillones de electronvoltios (eV), registrado durante la última década por el Observatorio Pierre Auger en Argentina. Es el observatorio más grande del mundo para el estudio de los rayos cósmicos.
La nueva característica espectral, una torcedura en el espectro de energía de los rayos cósmicos a aproximadamente 13 quintillones de electronvoltios, representa más que puntos trazados en un gráfico. Acerca a la humanidad un paso más hacia la resolución de los misterios de las partículas más energéticas de la naturaleza, según Frank Schroeder, profesor asistente en el Instituto de Investigación Bartol en el Departamento de Física y Astronomía de la UD, quien participó en el estudio con el apoyo de la Fundación de Investigación de la Universidad de Delaware. La investigación se publica en Cartas de revisión física y Revisión de física D .
En esta foto prepandémica, El profesor de la UD Frank Schroeder trabaja con colegas para instalar una antena de radio en una de las estaciones detectoras de rayos cósmicos del Observatorio Pierre Auger, ubicado cerca de Malargüe, Argentina. Crédito:Universidad de Delaware
"Desde que se descubrieron los rayos cósmicos hace 100 años, la pregunta de larga data ha sido, ¿Qué acelera estas partículas? ", dijo Schroeder." Las mediciones de la Colaboración Pierre Auger proporcionan pistas importantes sobre lo que podemos excluir como fuente. De trabajos anteriores, sabemos que el acelerador no está en nuestra galaxia. A través de este último análisis, podemos corroborar aún más nuestras indicaciones anteriores de que los rayos cósmicos de energía ultra alta no son solo protones de hidrógeno, sino también una mezcla de núcleos de elementos más pesados, y esta composición cambia con la energía ".
Entre el "tobillo" y el "dedo del pie"
Schroeder y el investigador postdoctoral de la UD Alan Coleman, quién contribuyó al análisis de datos, han sido miembros de la Colaboración Pierre Auger durante varios años. La UD se incorporó oficialmente a la colaboración como miembro institucional en 2018. Este equipo de más de 400 científicos de 17 países opera el observatorio, que ocupa un 1, Área de 200 millas cuadradas, aproximadamente del tamaño de Rhode Island.
Un conjunto de estaciones detectoras de rayos cósmicos del Observatorio Pierre Auger cerca de Malargüe, Argentina. La Universidad de Delaware es miembro de la colaboración internacional que opera el observatorio, que incluye a más de 400 científicos de 17 países. Crédito:Universidad de Delaware
El observatorio tiene más de 1, 600 detectores llamados estaciones de agua-Cherenkov repartidos por las llanuras altas de la Pampa Amarilla (Pradera Amarilla), ignorado por 27 telescopios de fluorescencia. Colectivamente Estos instrumentos miden la energía que libera una partícula de rayos cósmicos de energía ultra alta en la atmósfera y proporcionan una evaluación indirecta de su masa. Todos estos datos:energía, la masa y la dirección desde la que llegaron estas extraordinarias partículas, dan pistas importantes sobre sus orígenes.
Previamente, Los científicos pensaban que estas partículas de rayos cósmicos de energía ultra alta eran en su mayoría protones de hidrógeno, pero este último análisis confirma que las partículas tienen una mezcla de núcleos, algunos más pesados que el oxígeno o el helio, como el silicio y el hierro, por ejemplo.
Trazado en la gráfica curva que representa el espectro de energía de los rayos cósmicos, puedes ver la torcedura, un empinado, sección aplanada:entre el área denominada por los científicos como "el tobillo, "y el punto inicial del gráfico, llamado "el dedo del pie".
En esta foto prepandémica, El investigador postdoctoral de la UD Alan Coleman respalda a uno de los 1, del Observatorio Pierre Auger 600 estaciones detectoras de rayos cósmicos, que se distribuyen en 1, 200 millas cuadradas de la Pampa Amarilla. El metal corrugado en la parte superior, llamado panel de centelleo, y la antena de radio esférica son sensores de rayos cósmicos, mientras que la antena rectangular es para la comunicación con el edificio central del observatorio. Crédito:Universidad de Delaware
"No tenemos un nombre específico para ello, "dijo Coleman, que estaba en el equipo de 20 personas que escribió el código de computadora e hizo el cálculo numérico requerido para el análisis extenso de datos. "Supongo que nos estamos quedando sin partes de la anatomía para llamarlo, " él dijo, bromas.
Involucrado directamente en el hallazgo, Coleman mejoró la reconstrucción de la cascada de partículas, que crean los rayos cósmicos al incidir en la atmósfera, para estimar la energía. También realizó estudios detallados para asegurarse de que este nuevo punto de inflexión fuera real y no un artefacto del detector. El trabajo del grupo de datos tomó más de dos años.
"Obviamente, es bastante leve ", Dijo Coleman sobre la torcedura espectral." Pero cada vez que ves un bulto como este, eso indica que la física está cambiando y eso es muy emocionante ".
Es muy difícil determinar la masa de los rayos cósmicos entrantes, Dijo Coleman. Pero la medición de la colaboración es tan robusta y precisa que ahora se pueden eliminar varios otros modelos teóricos de dónde provienen los rayos cósmicos de energía ultra alta. mientras que otras vías se pueden seguir con más vigor.
Los científicos especulan que los núcleos galácticos activos pueden ser una fuente de rayos cósmicos de energía ultra alta. Los núcleos galácticos activos son agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, que cuentan con gigantescos chorros de materia que escapan al caer en el agujero negro. Centauro A, mostrado aquí, es un ejemplo de esta clase de galaxias en nuestro vecindario galáctico a menos de 20 millones de años luz de la Tierra. Crédito:Universidad de Delaware
El flujo de rayos cósmicos depende de su energía. Cuanto mayor sea la energía, más raros son los rayos cósmicos. Sin embargo, la figura más grande muestra que esta relación no es fluida. Varias características indican que algo está sucediendo a diferentes energías, referido informalmente por los científicos como la "rodilla, "El" tobillo "y el" dedo del pie, "Junto con la" nueva torcedura, ”Medido por la Colaboración del Observatorio Pierre Auger. El recuadro muestra esta nueva medida en detalle. Cada característica se puede interpretar como un cambio en la composición de los rayos cósmicos en las energías respectivas. Crédito:Universidad de Delaware
Los núcleos galácticos activos (AGN) y las galaxias estelares se encuentran ahora en funcionamiento como fuentes potenciales. Si bien su distancia típica es de unos 100 millones de años luz de distancia, algunos candidatos se encuentran a 20 millones de años luz.
"Si supiéramos cuáles eran las fuentes, podríamos analizar nuevos detalles sobre lo que está sucediendo, "Dijo Coleman. ¿Qué está sucediendo que permite estas energías increíblemente altas? Estas partículas pueden provenir de algo que ni siquiera sabemos".
La investigación en curso del equipo de la UD se centra en aumentar aún más la precisión de la medición de los rayos cósmicos de energía ultra alta y extender la medición precisa del espectro de rayos cósmicos a energías más bajas. Eso crearía una mejor superposición con otros experimentos, Schroeder dijo:como las mediciones de rayos cósmicos de IceCube en el Polo Sur, otro observatorio de astropartículas único con la mayor participación de la Universidad de Delaware.
