Extraños y específicamente nuclearitas, su especie pesada, son muy densos, objetos compactos y potencialmente rápidos hechos de un número grande y aproximadamente igual de hasta, quarks abajo y extraños, que puede habitar el universo. Edward Witten planteó la hipótesis de su existencia por primera vez en 1984. Estos objetos nunca se habían detectado antes y hasta ahora han atraído menos atención que los meteoros. quizás debido a su falta de relevancia en la física de partículas.

A finales de 1984, Los físicos teóricos Alvaro De Rujula y Sheldon Lee Glashow introdujeron la idea de que, al cruzar la atmósfera terrestre, Los nuclearitos producen luz de manera similar a los meteoros, perdiendo muy poca energía en el proceso. Si su predicción es correcta, Los equipos que trabajan en los observatorios de meteoritos deberían poder confirmar si estos objetos existen o no. Hasta aquí, sin embargo, muy pocos investigadores han realizado estudios que investiguen esta posibilidad.

Un fenómeno cósmico diferente enraizado en la física de partículas, conocidos como rayos cósmicos de energía ultra alta, comparte algunas de las mismas características teorizadas de las nucleares. Estos rayos cósmicos De hecho, también producen estelas de luz en la atmósfera, aunque lo hacen a través de un proceso físico diferente. Además, se mueven mucho más rápido que las nucleares y generalmente se observan en la banda ultravioleta (UV).

A diferencia de las nucleares, Los rayos cósmicos de energía ultra alta se han detectado antes. Sin embargo, son un fenómeno muy raro, con flujos inferiores a 1 partícula por kilómetro cuadrado cada 100 años para las energías más altas. Para detectarlos, Por lo tanto, los científicos necesitan monitorear grandes volúmenes de la atmósfera utilizando grandes detectores, lo que eventualmente también podría conducir a la detección de nuclearidades.

Investigadores de RIKEN en Japón, el Centro Nacional de Investigaciones Nucleares de Polonia, Universidad de Aix Marsella-CNRS, La Academia Polaca de Ciencias y la Universidad de Varsovia han llevado a cabo recientemente una búsqueda de nuclearidades y otros objetos compactos pesados ​​basándose en datos fotográficos recogidos por los detectores "Pi of the Sky" en el centro de pruebas INTA El Arenosillo en Mazagaon, cerca de Huelva. España y en el Observatorio Las Campanas de Chile. Su papel journalnals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.125.091101 "> publicado en Cartas de revisión física , introduce un conjunto de límites que podrían orientar las búsquedas futuras de objetos compactos pesados ​​en el universo.

"Se me ocurrió la idea de observar las nucleares con una cámara cuando me uní a la colaboración JEM-EUSO, que tiene la intención de construir un telescopio UV orbital que monitorea la atmósfera de la Tierra, buscando principalmente rayos cósmicos, pero también nuclearitas, meteoros y otros fenómenos, "Lech Wiktor Piotrowski, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Un volumen mucho mayor de la atmósfera es visible desde la órbita en comparación con los observatorios en tierra, por tanto, las posibilidades de detección aumentan en un orden de magnitud ".

El objetivo clave del estudio reciente de Piotrowski y sus colegas fue descubrir nuclearidades u otros objetos compactos pesados ​​que cruzan la atmósfera en fotografías tomadas por los detectores Pi of the Sky. o al menos establecer límites a su flujo, si su búsqueda no arrojó resultados positivos.

Si bien el telescopio ultravioleta final desarrollado por la colaboración JEM-EUSO podría ayudar al estudio de numerosos fenómenos cosmológicos, los investigadores aún no han comenzado a usarlo para recopilar observaciones (aunque actualmente se están analizando los datos de experimentos de precursores más pequeños). En su estudio reciente, por lo tanto, decidieron utilizar los datos terrestres disponibles recopilados como parte del experimento Pi of the Sky.

La predicción de que las nuclearidades producen luz a medida que atraviesan la atmósfera se basa en estimaciones de su densidad y velocidad potencial. Por tanto, esta característica podría ser compartida por otros objetos cosmológicos de distinta naturaleza.

Desde que De Rujula y Glashow introdujeron su teoría en 1984, la lista de objetos que se supone que dejan rastros de luz en la atmósfera de la Tierra ha crecido sustancialmente, incluyendo también objetos que no son directamente relevantes para el campo de la física de partículas, como pequeños agujeros negros primordiales. Si bien su búsqueda de nuclearidades fue infructuosa, permitió a Piotrowski y sus colegas establecer una serie de límites que podrían acotar las búsquedas futuras de nuclearidades y otros objetos compactos pesados ​​en el universo.

"En el Instituto, leyendo un artículo popular sobre hipotéticos 'extraños' y cómo pueden destruir el mundo, me convenció de que debería convertirme en físico de partículas, ", Dijo Piotrowski." Me he convertido en uno, pero en el proceso, Empecé a pensar que nunca tendré nada que ver con esos extraños. Luego, Unos años despues, gracias al trabajo que realicé como parte de la colaboración JEM-EUSO, Descubrí que con los datos de archivo de mi antiguo experimento de observación del cielo Pi of the Sky, Podría hacer una contribución sustancial al tema de los extraños. Así nació este artículo ".

La idea central del estudio realizado por Piotrowski y sus colegas es bastante simple. Cuando uno mira al cielo por la noche, teóricamente debería poder ver las huellas de las nucleares y otros objetos compactos pesados, al igual que ve los dejados por meteoros o satélites.

Las huellas dejadas por las nucleares y otros objetos compactos pesados, sin embargo, debería ser ligeramente diferente. Una nuclearita debería poder atravesar toda la atmósfera, por lo tanto, el rastro de luz que deja sería muy largo y emitiría un brillo constante que solo cambia en función de la distancia física con un observador. Los investigadores buscaron estos largos senderos en fotografías tomadas como parte del experimento Pi of the Sky.

"Ver una pista así nos daría un candidato, mientras que la falta de detecciones nos permitiría establecer un límite en el flujo de nuclearitas y otros objetos compactos pesados, "Explicó Piotrowski." Esto implica calcular el tiempo total de las observaciones del cielo y una superficie efectiva del volumen del cielo observado, que depende de que el detector apunte, así como en el supuesto de que los objetos provenían de todas las direcciones posibles, desde una sola dirección o desde algunas configuraciones de dirección específicas. Finalmente, el límite debe incluir la eficiencia de detección del detector (que se puede obtener mediante simulaciones), e información sobre qué tan bien podemos distinguir entre los objetos de interés y otras pistas, como los que provienen de meteoritos y satélites ".

El detector Pi of the Sky toma imágenes del cielo usando cámaras CCD con lentes fotográficos comerciales montados en ellas, sin filtros. Por lo tanto, puede recopilar imágenes que reflejan aproximadamente lo que vería un observador humano al mirar al cielo.

Las exposiciones del detector duran aproximadamente 10 segundos y sus cámaras siguen el movimiento de las estrellas. Por lo tanto, también se puede utilizar para recopilar información sobre cómo cambió el volumen de la atmósfera durante el transcurso de la noche.

"Durante el experimento Pi of the Sky, no previmos ninguna investigación relacionada con las pistas, y realizó un análisis automático de estrellas y transitorios similares a estrellas, después de lo cual se descartó la mayoría de los datos sin procesar, ", Dijo Piotrowski." Afortunadamente, los datos sin procesar restantes, que abarca varios años y cámaras, se utilizó para el análisis presentado en nuestro artículo ".

Los investigadores analizaron todos los fotogramas sin procesar recopilados por el detector Pi of the Sky, descartando aproximadamente el 50% de ellos debido a su mala calidad. Después, buscaron imágenes de pistas en los fotogramas restantes de buena calidad, que incluyó 1766.05 h de observaciones recopiladas por un solo, Equivalente a cámara de 20x20 grados. Su búsqueda se realizó utilizando un algoritmo basado en la transformación de Hough diseñado específicamente para identificar pistas en imágenes.

"Hemos identificado casi 36, 000 pistas en los datos, la mayoría de los cuales se clasificaron automáticamente como meteoros o satélites basándose principalmente en la variabilidad de su brillo (el brillo de una nuclearita debería ser casi constante), los restantes se filtraron manualmente, dejando 29 candidatos, ", Dijo Piotrowski." Nueve de ellos se encontraron en un catálogo de satélites, dejando 20 candidatos. En futuros experimentos dedicados, esos candidatos podrían clasificarse más en función de su velocidad, que no puede derivarse de las exposiciones de 10 segundos analizadas ".

Como los datos utilizados por los investigadores no incluían ninguna información relacionada con la velocidad, no pudieron determinar si los 20 candidatos que no pudieron identificar son en realidad nuclearidades u objetos compactos pesados. Sin embargo, basado en los datos disponibles para ellos, piensan que la posibilidad de que sean objetos compactos pesados ​​es muy poco probable.

"Casi todas las 20 pistas restantes tienen menos de 500 píxeles (nuestro CCD tiene aproximadamente 2000x2000 píxeles), mientras que para los nuclearites, esperamos una distribución casi plana a través de todas las longitudes de pista posibles, limitado casi solo por el punto de entrada a la atmósfera y el borde del campo de visión, "Explicó Piotrowski." Por lo tanto, los candidatos son probablemente satélites o meteoros, con una parte de una pista en nuestras cámaras demasiado corta para mostrar la variabilidad característica del brillo ".

Según los resultados que recopilaron hasta ahora, Piotrowski y sus colegas asumen que las imágenes que analizaron no contienen rastros de nuclearitas u otros objetos compactos pesados, por lo tanto, se propusieron poner un límite a su flujo en función de los datos disponibles. Para hacer esto, calcularon la superficie efectiva del volumen de la atmósfera contenida en cada cuadro, que dependía de la dirección a la que apuntaba una cámara, la masa hipotética de nuclearitas y la eficiencia estimada de detección de nuclearita usando la configuración específica de la cámara.

La eficiencia de la detección de nuclearita se calculó superponiendo representaciones de pistas de nuclearita en imágenes reales del cielo y ejecutando el algoritmo de detección de pistas basado en la transformación de Hough en estos datos artificiales / simulados. Como nunca antes se habían observado nuclearitas, Las herramientas de simulación son particularmente útiles para estudiarlas y mostrar cómo se verían.

Por último, los investigadores cambiaron el límite de flujo en función de la "eficiencia de separación" (es decir, un valor estimado que describe qué tan bien serían capaces de diferenciar los rastros de nuclearita de los rastros de luz producidos por meteoros, satélites y otros objetos comúnmente observados). Este valor se derivó de la distribución de la longitud de las 20 pistas que no pudieron identificar durante su búsqueda.

"La curvatura de nuestra línea límite proviene de dos factores, "Explicó Piotrowski." Primero, cuanto menor sea la masa de nuclearita, cuanto más tenue y menor es la sensibilidad de nuestro detector. Este efecto domina las masas inferiores, donde la eficiencia de detección es muy pequeña. Segundo, cuanto más pesada es la nuclearita, cuanto más alto en la atmósfera puede empezar a emitir luz. Por lo tanto, el volumen de la atmósfera observado es mayor para los nucleares más pesados, permitiendo establecer un mejor límite en el flujo. Este domina las masas más altas, donde la eficiencia de detección se vuelve independiente de la masa ".

Los estados exóticos de la materia que no se pueden observar directamente desde la Tierra han sido el foco de numerosos estudios de investigación anteriores. Revelar nuevas formas de materia que atraviesan la atmósfera tendría importantes implicaciones para el estudio de la física, astrofísica, astronomía y potencialmente otros campos científicos.

Los límites al flujo de objetos compactos pesados ​​establecidos por Piotrowski y sus colegas podrían ser un paso importante hacia una mejor comprensión de la naturaleza de los objetos compactos pesados. Por ejemplo, podrían orientar estudios futuros que investiguen la existencia de materia de quarks estable en el universo.

"Ahora también tenemos una confirmación experimental de que los objetos compactos pesados ​​en el rango de masa dado no pueden atravesar la atmósfera en grandes cantidades, ", Dijo Piotrowski." Este es un punto de partida para la verificación de los modelos específicos para cada tipo de objeto compacto pesado y su posible fuente en el universo. Pero también hay una razón más mundana para el estudio realizado. Hasta ahora, parece que nadie había buscado objetos compactos pesados ​​en el rango de masas analizado; como científicos, deberíamos explorar tal terra incognita, porque a menudo, algo nuevo acecha allí. No fue esta vez, no con nuestra sensibilidad actual, pero este fue un primer paso ".

El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores también demuestra que los experimentos puramente astrofísicos podrían ser de gran valor para el estudio de la física de partículas. Si bien la astrofísica y la física de partículas están estrechamente relacionadas, De hecho, las ideas introducidas por Witten, Rujula y Glashow en 1984 han permanecido en gran parte sin probar o abordados por los físicos de partículas durante varias décadas.

En el futuro, el artículo escrito por Piotrowski y sus colegas podría inspirar a otros equipos de todo el mundo a buscar nuclearidades u otros objetos compactos pesados. Mientras tanto, los investigadores planean continuar explorando este tema también, con el fin de reducir aún más la búsqueda de objetos cosmológicos esquivos.

"Los límites obtenidos ahora podrían usarse y modificarse para imponer restricciones a tipos específicos de objetos compactos pesados ​​y su distribución en la galaxia / universo, "Dijo Piotrowski." Segundo, también es importante mejorar los límites. Esto se hará en experimentos futuros:en tierra dedicados al propósito de detectar objetos compactos pesados, y orbitales que observan grandes volúmenes de la atmósfera ".

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