Astrodeeltjesfysica
ultrahoge-energie kosmische stralen zijn de meest energetische en zeldzaamste deeltjes in het universum – en ook een van de meest raadselachtige. Benjamin Skuse onthult hoe mysteries van kosmische stralen ons begrip van hoge-energetische fysica blijven testen. ver, ver weg, creëert iets – ergens-deeltjes met waanzinnige hoeveelheden energie. Wat ze ook zijn of waar ze ook vandaan komen, deze deeltjes kunnen alles zijn tussen 1018 eV en 1020 eV. Gezien het feit dat de hoogste deeltjesenergie bij CERN ‘ s Large Hadron Collider ongeveer 1013 eV is, zijn sommige van deze deeltjes een miljoen keer energieker dan alles wat we kunnen maken met de krachtigste deeltjesversneller op de planeet. Het zijn simpelweg de meest energetische deeltjes die ooit in de natuur zijn gezien.
bekend als ultrahoge-energie kosmische stralen (uhecr ‘ s), werden deze deeltjes ontdekt in 1962. Het zijn de super-energetische broeders van gewone-of-tuin kosmische stralen, die voor het eerst werden opgemerkt door de Oostenrijkse wetenschapper Victor Hess tijdens een beroemde reeks gedurfde heteluchtballon vluchten 50 jaar eerder. Maar hoewel we veel weten over regelmatige kosmische stralen, waar Uhecr ‘ s van gemaakt zijn, waar ze in de hemel vandaan komen en wat ze versnelt, blijft een mysterie.
Gelukkig regent het af en toe een aantal Uhecr ‘ s op de planeet Aarde. Wanneer zo ‘ n straal de atmosfeer binnenkomt, botst hij met luchtmoleculen, die op hun beurt in andere deeltjes kloppen, wat resulteert in een cascade-effect helemaal tot aan de grond. Het resultaat is een stortvloed van deeltjes verspreid over een gebied van 5 km breed aan het aardoppervlak. En dankzij het Pierre Auger observatorium in Argentinië en de telescoop Array in Utah, kunnen we deze Douches detecteren en informatie over de kosmische stralen zelf extraheren.
beide faciliteiten bestaan uit een reeks detectoren – in het geval van Auger, 1660 grote vaten met elk meer dan 12.000 liter water verspreid over 3000 km2. Wanneer een deeltje uit een douche in een detector vliegt, creëert het een elektromagnetische schokgolf die wordt opgepikt door lichtdetecterende buizen gemonteerd op de tanks van de detector. De onderzoekers kunnen deze informatie dan combineren met gegevens van 27 die telescopen door de reeks worden gestippeld die het fluorescentielicht verzamelen dat wordt gecreeerd wanneer de cascade stikstof in de lucht opwekt.
deze gecombineerde techniek geeft een nauwkeurige meting van de flux, de aankomstrichting en de energie van de Uhecr ‘ s. En vorig jaar, als resultaat van dit werk, hebben onderzoekers van Pierre Auger ondubbelzinnig aangetoond dat de meest krachtige kosmische stralen van buiten de Melkweg komen, niet van binnen ons melkwegstelsel (wetenschap 357 1266). Gezien we al meer dan een eeuw weten over kosmische straling, lijkt deze doorbraak misschien teleurstellend en een beetje te laat. In werkelijkheid, hoewel, het weerspiegelt de gigantische uitdaging onderzoekers geconfronteerd. Kosmische straling met een energie van meer dan 1020 eV landt – gemiddeld – slechts één keer per vierkante kilometer op aarde per eeuw.
kosmische stralen met een energie van meer dan 1020 eV land – gemiddeld – slechts één keer per vierkante kilometer op aarde per eeuw
waaruit bestaan Uhecr ‘ s?
gegevens verzameld over decennia bewijzen dat lage-energetische kosmische stralen – die meestal protonen, kernen en elektronen zijn – uit alle richtingen aan de hemel lijken te komen. Wetenschappers schrijven deze verspreiding toe aan de stralen die in alle richtingen worden afgebogen door de magnetische velden die ons melkwegstelsel doordringen, wat alle hoop uitsluit om ooit direct op hun bron te richten. Uhecr ‘ s zijn een andere zaak. Ze drijven zo goed door Galactische magnetische velden dat ze slechts een paar graden worden afgebogen. “We kunnen ze gebruiken als astronomische boodschappers om de bronnen direct te vinden”, legt Ralph Engel, woordvoerder van het Pierre Auger Observatorium, uit.
tijdens een uhecr-luchtdouche is het cascade-effect meer en meer deeltjes wanneer de douche door de atmosfeer schuurt. Echter, elke interactie verliest energie, wat betekent dat het aantal douchedeeltjes begint te dalen, met slechts een klein deel het bereiken van de grond. Maar door te weten hoe de luchtdouche zich verspreidt in de atmosfeer, kunnen Auger-en Telescooparray-onderzoekers de deeltjesinteracties simuleren om te bepalen waar de douche in de atmosfeer op zijn hoogtepunt was. En door de piekwaarde van de douche te combineren met de gemeten energie van de douche, kunnen ze de massa – en dus de identiteit – van de Uhecr ‘ s afleiden.
wanneer Auger-wetenschappers deze methode toepasten, verwachtten ze dat de hoogste energie Uhecr ‘ s gewoon uit protonen zouden bestaan. In plaats daarvan vonden ze iets vreemds. Naarmate de energie van de Uhecr ‘ s steeg van 1018 eV tot 1020 eV, nam ook de massa toe. “We beginnen met veel protonen rond 1019 eV”, legt Engel uit. “Dan ineens, is er een drastische verandering in helium en dan elementen in het bereik van koolstof en stikstof.”
de toename van de massa van de uhecr als de stralen meer energetisch worden is een probleem voor zowel experimentalisten als theoretici. Wat lastig is voor Auger wetenschappers is dat zwaardere Uhecr ‘ s meer worden afgebogen door de magnetische velden van de Melkweg, wat het nog moeilijker maakt om hun bron te achterhalen. Voor theoretici als Vasiliki Pavlidou van de Universiteit van Kreta, aan de andere kant, is het probleem fundamenteler: het zou ons hele begrip van hoge-energiefysica kunnen uitdagen. “Als de primaire deeltjes op de hoogste energieën inderdaad zwaarder worden, zijn er een paar ongemakkelijke toevalligheden die we moeten accepteren”, zegt ze.
volgens conventionele wijsheid verliezen kosmische stralen boven een bepaalde energie snel energie omdat ze interageren met fotonen in de kosmische microgolfachtergrond, wat betekent dat de energie van Uhecr ‘ s die op aarde worden gezien beperkt moet worden tot ongeveer 1020 eV. Echter, als de waargenomen deeltjes zwaarder worden met energie, dan moet het astrofysische proces dat de kosmische stralen in de eerste plaats versnelt – wat het ook is – dicht bij zijn hoogste energie lopen. (De lichtere deeltjes zullen dan simpelweg te klein zijn om die hoge energieën te bereiken. De 1020 eV uhecr energielimiet wordt daarom bepaald door twee volledig ongerelateerde processen: hoe de deeltjes worden versneld bij hun extragalactische bron en hoe ze energie verliezen als ze door de interstellaire ruimte reizen. Dat is het eerste vreemde toeval.
het tweede toeval heeft te maken met kosmische stralen van binnen onze Melkweg en die van elders. Het lijkt erop dat Galactische kosmische stralen niet meer worden waargenomen bij 3 × 1018 eV – precies dezelfde energie waarbij extragalactische kosmische stralen zwaarder worden met energie. Dat is vreemd gezien het feit dat Galactische en extragalactische kosmische stralen van zeer verschillende bronnen komen (zelfs als we nog steeds niet weten waar de laatste vandaan komen).
gegeven het feit dat deze twee toevalligheden afhankelijk zijn van processen en eigenschappen die niet eens vaag gerelateerd zijn, waarom gebeuren ze dan op dezelfde energieschalen? Een reden zou kunnen zijn dat deze toevalligheden gewoon niet bestaan. Dat zou zeker het geval zijn als extragalactische kosmische stralen niet zwaarder worden met energie, maar gewoon altijd protonen zijn; de toevalligheden zouden dan gewoon verdwijnen. Inderdaad, pavlidou en haar Kreta collega Theodore Tomaras denken dat Uhecr ‘ s kunnen zijn voornamelijk protonen, de enige addertje onder het gras dat er zou moeten zijn een aantal nieuwe onontdekte fysieke fenomeen dat de lucht Douches boven een bepaalde energie beïnvloedt.
dat klinkt misschien vreemd, maar er is een goede reden om het idee niet ronduit af te wijzen. Natuurkundigen modelleren hoe de deeltjes in de luchtdouche interageren op basis van hun begrip van het standaardmodel van deeltjesfysica, maar het is nooit getest (zelfs niet bij de LHC) bij zulke hoge energieën. Bovendien vallen deze simulaties ver achter bij het verklaren van alle waargenomen luchtdouche-eigenschappen. Dus je hebt twee onsmakelijk keuzes. Of kosmische stralen zijn protonen en nieuwe fysica laat ze zwaar lijken. Of Uhecr ‘ s zijn zware deeltjes en het standaardmodel heeft wat serieuze aanpassingen nodig.
maar als Uhecr ‘ s protonen zijn, zal het uitzoeken hoe protonen zich zouden kunnen vermommen als zwaardere deeltjes een alternatief denken vereisen. Een spannende mogelijkheid is dat de eerste botsing van het proton een mini zwart gat produceert, waarvan het bestaan wordt voorspeld door theorieën met grote extra dimensies. “Voor het juiste aantal van zulke afmetingen kunnen ze de gewenste massa hebben”, legt Tomaras uit. “Mini zwarte gaten zouden onmiddellijk vervallen tot een groot aantal hadrons die de energie van het zwarte gat delen, waardoor het primaire proton zwaar lijkt.”
kijkend naar de hemel van onder water
een ander alternatief zou zijn om het bestaan aan te roepen van nog niet ontdekte fasen van quantumchromodynamica (QCD)-de theorie die beschrijft hoe quarks worden gebonden in protonen, neutronen en andere hadronen. Tomaras geeft echter toe dat dit” exotische “scenario’ s zijn. “We hebben nog geen grote extra dimensies ontdekt”, zegt hij, ” en we hebben redenen om te vermoeden dat de productiedoorsnede van mini zwarte gaten waarschijnlijk te klein zal zijn om ons doel te dienen en bovendien hebben we nog geen robuust kwantitatief begrip van de fasen van QCD.”Echter, als bewijs oppervlakken van uhecr’ s zijn protonen, Tomaras gelooft dat het” bijna onvermijdelijk ” dat dergelijke exotische verschijnselen zich voordoen in de natuur.
wat versnelt ze?
afgezien van het gebrek aan zekerheid over wat Uhecr ‘ s zijn, is de vraag die er echt toe doet: wat maakt ze? Hier is het beeld nog warmer. Tot voor kort waren sommige natuurkundigen exotische ideeën aan het verkennen die bekend staan als “top-down modellen” die verder gaan dan het standaardmodel. Het idee is dat hoge energie, onbekende objecten zoals superzware donkere materie-met massa ‘ s 1012 keer groter dan de proton massa – zou vervallen tot uhecr deeltjes. De vangst van deze modellen is dat ze suggereren dat kosmische stralen moeten worden gedomineerd door fotonen en neutrino ‘ s, terwijl gegevens van de Pierre Auger Observatory, Telescoop Array en elders suggereren meestal geladen deeltjes. “Niemand probeert nog exotische modellen van de klassieke top-down opstelling te bouwen”, legt Engel uit.
hoewel het exotische dark-matter scenario niet volledig is uitgesloten als de bron van Uhecr ‘ s, overwegen onderzoekers meer serieus of extreem gewelddadige astrofysische gebeurtenissen in plaats daarvan verantwoordelijk kunnen zijn voor dergelijke hoge energieën. Pulsars, gammastraaluitbarstingen, stralen van actieve Galactische kernen, sterrenstelsels en andere zijn voorgesteld, met de populaire mening wiebelen tussen hen.Roberto Aloisio van het Gran Sasso Science Institute in Italië is van mening dat op het eerste gezicht de resultaten van Auger – die wijzen op zwaardere uhecr – deeltjes bij de hoogste energieën-een belangrijke ontwikkeling zijn. “Het is makkelijker om zware kernen te versnellen dan protonen omdat de versnellingsmechanismen altijd de elektrische lading van de deeltjes voelen – en kernen zwaarder dan protonen hebben altijd een grotere elektrische lading”, legt hij uit. Als gevolg hiervan suggereert Aloisio dat Auger wijst naar pulsars als bron van Uhecr’ s, die zwaardere elementen produceren en deze deeltjes tot de vereiste energie kunnen drijven (Prog. Theor. Exp. Phys. 2017 12A102).
momenteel is er echter één kandidaat die als bron van Uhecr ‘ s voor is op alle anderen. “Als ik moest wedden zou ik zeker al mijn geld in starburst melkwegstelsels steken”, zegt Luis Anchordoqui van de City University of New York, die lid is van het 500-sterke Auger team. Starburst-sterrenstelsels zijn de meest lichtgevende sterrenstelsels in het heelal en vormen in een razend tempo sterren. Zoals Anchordoqui en collega ‘ s voor het eerst veronderstelden in 1999, versnellen nabijgelegen sterrenstelsels kernen tot ultrahoge energieën door middel van een collectieve inspanning, waarbij talrijke supernovae-explosies in het centrale dichte gebied van de Melkweg worden gecombineerd om een galactische “superwind” van uitstromend gas te creëren.
naarmate deze superwind uitdijt, wordt het minder dicht, waardoor de stroom naar subsonische snelheid wordt vertraagd – in feite, waardoor de voortgang van de superwind zelf wordt gestopt. “Dit produceert een gigantische schokgolf, vergelijkbaar met degene die na de explosie van een atoombom, maar veel krachtiger,” zegt Anchordoqui.
cruciaal is dat dit proces van diffusieve schokversneller, of DSA, gasdeeltjes kan doen zweven tot dicht bij de lichtsnelheid. Deeltjes krijgen stapsgewijs energie door ingesloten te worden door magnetische velden, en het schokfront te kruisen en opnieuw te kruisen. Rond en rond de astrofysische versneller, bouwen deze kleine energie-boosts zich op tot het deeltje de ontsnappingssnelheid bereikt en de ruimte in vliegt. Anchordoqui heeft het werk onlangs opnieuw bekeken in de context van de laatste bevindingen van Auger (Phys. D 97 063010).
DSA, dat niet alleen voorkomt in sterrenstelsels, wordt vaak gebruikt om de voorgestelde deeltjesversnelling in gammaflitsen, actieve Galactische kernen en andere uhecr-bronkandidaten te verklaren. Toch toonden Kohta Murse en zijn medewerkers van Penn State University begin 2018 aan dat er een ander versnellingsmechanisme in het spel zou kunnen zijn (Phys. D 97 023026).
in hun model krijgen gewone kosmische stralen in een bepaald melkwegstelsel een enorme energie-boost door krachtige stralen van actieve Galactische kernen, via een mechanisme dat bekend staat als discrete afschuifversnelling. Het is een complex proces waarbij de interactie tussen het deeltje, lokale verstoringen in het magnetisch veld en het snelheidsverschil – of “afschuiving” – van verschillende delen van de stroom van de jet en de omringende cocon. Maar uiteindelijk is het effect vergelijkbaar met DSA. “De kosmische stralen krijgen energie door heen en weer te verstrooien rond de afschuifgrens”, legt Murse uit, waarna ze ontsnappen via de radiolabben die vaak aan het einde van de stralen worden gevonden.
nog recenter, Murse en Ke Fang van de Universiteit van Maryland (Nature Phys. 14 396) kwam opnieuw op het idee dat krachtige stralen van zwarte gaten in aggregaten van sterrenstelsels Uhecr ‘ s zouden kunnen aandrijven. Om te beginnen, vergeleken ze hun model met Augers waargenomen uhecr flux en samenstelling gegevens, waaruit blijkt een goede match met experimentele waarnemingen. Maar het meest intrigerend toonden ze aan dat door in detail te beschrijven hoe Uhecr ‘s, neutrino’ s en gammastralen allemaal geproduceerd kunnen worden door actieve Galactische kernen, ze de gegevens konden verklaren die verzameld werden door het Icecube Neutrino observatorium in Antarctica, Fermi Gamma-ray ruimtetelescoop en Auger gelijktijdig. “De mooiste mogelijkheid is dat alle drie de boodschapper deeltjes afkomstig zijn van dezelfde klasse van bronnen,” Murse voegt eraan toe.
waar komen ze vandaan?
als we wisten waar in de hemel Uhecr ‘ s vandaan komen, zou de taak om te kiezen welke bron ze produceerde een stuk gemakkelijker zijn. Maar er bestaat niet zoiets als “gemakkelijk” in de kosmische straal wetenschap. Onbezonnen, Auger en Telescoop Array wetenschappers gebruiken catalogi van potentiële kandidaat-objecten die Uhecr ‘ s kunnen versnellen en dan proberen om ze te matchen met de aankomst richtingen van de kosmische stralen die ze observeren. Naarmate meer en meer gegevens binnenkomen, hebben beide faciliteiten elk een gebied geïdentificeerd waaruit een groot deel van deze stralen lijkt te komen.
in het geval van Auger bevat dit gebied een aantal starburst sterrenstelsels, maar ook Centaurus A – het dichtst bij de Melkweg gelegen reuzenstelsel met een actieve galactische kern. Wat de Telescooparray betreft, de” hot spot”, die net onder het handvat van het sterrenbeeld Ursa Major ligt, is een nog duidelijkere indicatie van een aankomstrichting, met een kwart van de gedetecteerde uhecr-signalen afkomstig van een 40° cirkel die slechts 6% van de hemel uitmaakt. Maar hoewel de starburst galaxy M82 zich in de hot spot bevindt, op ongeveer 12 miljoen lichtjaar afstand in Ursa Major, kunnen verschillende andere soorten objecten in dat stukje hemel ook een uhecr-geboorteplaats zijn.
” De correlatie is in de richting van M82 als je wilt zeggen dat het starburst melkwegstelsels zijn, of het is de richting van Centaurus A, als je wilt dat het actieve Galactische kernen zijn, ” zegt Engel. “Hoewel de gegevens beter correleren met starburst-sterrenstelsels, betekent dit niet dat zij de bronnen zullen zijn.”
net zoals we niet weten wat Uhecr ‘ s zijn of wat hen versnelt, zo is waar aan de hemel ze vandaan komen ook uit het zicht gehuld. Het zal echter niet lang meer duren voordat we het antwoord vinden. Upgrades naar het Pierre Auger Observatorium en de telescoop Array zijn in uitvoering, terwijl onderzoekers zijn het verkennen van nieuwe faciliteiten, zoals de sonde van Extreme Multi-Messenger astrofysica (poema) satellieten.het mysterie van de massa en de oorsprong van deze raadselachtige deeltjes kon binnen tien jaar eindelijk worden blootgelegd.