Ultrahigh-energy cosmic rays are the most energetic and rarest of particles in the universe – and also one of the most enigmatic. Benjamin Skuse revela como os mistérios dos raios cósmicos continuam a testar a nossa compreensão da física de alta energia. O que quer que sejam ou de onde quer que sejam, estas partículas podem ser qualquer coisa entre 1018 eV e 1020 eV. Dado que a maior energia de partículas no Grande Colisor de Hádrons do CERN é de cerca de 1013 eV, algumas dessas partículas são um milhão de vezes mais energéticas do que qualquer coisa que podemos criar no acelerador de partículas mais poderoso do planeta. Muito simplesmente, são as partículas mais energéticas já vistas na natureza.estas partículas foram descobertas em 1962. Eles são os irmãos super-energéticos dos raios cósmicos comuns ou de jardim, que foram avistados pela primeira vez pelo cientista austríaco Victor Hess durante uma famosa série de ousados voos de balão de ar quente 50 anos antes. Mas, embora saibamos muito sobre os raios cósmicos regulares, de onde são feitas as UHECRs, de onde vêm nos céus e o que as acelera permanece um mistério.felizmente, alguns UHECRs ocasionalmente chovem no planeta Terra. Quando um desses raios entra na atmosfera, colide com moléculas de ar, que por sua vez se transformam em outras partículas, resultando em um efeito de cascata até o chão. O resultado é uma chuva de partículas espalhadas por uma área de 5 km de largura na superfície da Terra. E graças ao Observatório Pierre Auger na Argentina e ao telescópio Array em Utah, podemos detectar estes chuveiros e extrair informações sobre os próprios raios cósmicos.

ambas as instalações consistem numa série de detectores de superfície – no caso de Auger, 1660 barris grandes cada com mais de 12.000 litros de água espalhados por 3000 km2. Quando uma partícula de um chuveiro voa para um detector, cria uma onda de choque electromagnética que é captada por tubos Detectores de luz montados nos tanques do detector. Os pesquisadores podem então combinar esta informação com dados de 27 telescópios pontilhados em toda a matriz que coletam a luz de fluorescência criada quando a cascata excita nitrogênio no ar.esta técnica combinada produz uma medida precisa do fluxo, direção de chegada e energia dos UHECRs. E no ano passado, como resultado deste trabalho, pesquisadores Pierre Auger mostraram inequivocamente que os raios cósmicos mais poderosos vêm de fora da Via Láctea, não de dentro da nossa galáxia (Ciência 357 1266). Considerando que sabemos sobre raios cósmicos há mais de um século, este avanço pode parecer decepcionante e um pouco atrasado. Na realidade, porém, reflete o gigantesco desafio que os pesquisadores enfrentam. Raios cósmicos com uma energia acima de 1020 eV terra – em média – apenas uma vez por quilómetro quadrado na terra por século.

raios Cósmicos com energia acima de 1020 eV terra – em média – a apenas uma vez por quilómetro quadrado na Terra por todo o século

o Que são UHECRs feito?dados coletados ao longo de décadas provam que os raios cósmicos de baixa energia-que são principalmente prótons, núcleos e elétrons – parecem vir de todas as direções no céu. Os cientistas atribuem esta propagação aos raios sendo desviados em todas as direções pelos campos magnéticos que permeiam a nossa galáxia, o que exclui toda a esperança de sempre zerar em sua fonte diretamente. UHECRs são outro assunto. Eles impulsionam os campos magnéticos galácticos tão bem que são desviados por apenas alguns graus. “Podemos usá-los como mensageiros astronômicos para encontrar as fontes diretamente”, explica Ralph Engel, porta-voz do Observatório Pierre Auger.durante um chuveiro de ar UHECR, o efeito de cascata envolve cada vez mais partículas à medida que o chuveiro cita através da atmosfera. No entanto, cada interação perde energia, o que significa que o número de partículas do chuveiro começa a diminuir, com apenas uma pequena fração chegando ao solo. Mas ao saber como o chuveiro de ar se espalha na atmosfera, os pesquisadores Auger e Telescope Array podem simular as interações de partículas para deduzir onde na atmosfera o chuveiro estava em seu pico. E combinando o valor máximo do chuveiro com a energia medida do chuveiro, eles podem inferir a massa – e, portanto, a identidade – dos UHECRs.quando os cientistas de Auger aplicaram este método, esperavam que as UHECRs de maior energia fossem simplesmente feitas de protões. Em vez disso, encontraram algo estranho. Como a energia dos UHECRs aumentou de 1018 eV para 1020 eV, também a massa. “Começamos com muitos protões por volta de 1019 eV”, explica Engel. “Então, de repente, há uma mudança drástica para o hélio e, em seguida, elementos na faixa de carbono e nitrogênio.”

the increase of the UHECR’s mass as the rays get more energetic is a problem for both experimentalists and theorists. O que é complicado para os cientistas de Auger é que UHECRs mais pesados são desviados pelos campos magnéticos da Via Láctea, o que torna ainda mais difícil descobrir a sua fonte. Para teóricos como Vasiliki Pavlidou da Universidade de Creta, por outro lado, o problema é mais fundamental: poderia desafiar toda a nossa compreensão da física de alta energia. “Se as partículas primárias nas energias mais altas estão realmente ficando mais pesadas, há algumas coincidências desconfortáveis que temos que aceitar”, diz ela.

de Acordo com a sabedoria convencional, raios cósmicos acima de uma certa energia rapidamente perdem energia, como eles interagem com os fótons da radiação cósmica de fundo, o que significa que a energia de UHECRs visto na Terra deve ser limitada a cerca de 1020 eV. No entanto, se as partículas observadas estão ficando mais pesadas com a energia, então o processo astrofísico que está acelerando os raios cósmicos em primeiro lugar – o que quer que seja – deve estar correndo perto de sua energia superior. (As partículas mais leves serão, então, muito insignificantes para alcançar essas altas energias. O limite de energia de 1020 eV UHECR é, portanto, governado por dois processos completamente não relacionados: como as partículas são aceleradas em sua fonte extragaláctica e como elas perdem energia enquanto viajam através do espaço interestelar. É a primeira coincidência estranha.

A segunda coincidência é a de fazer com os raios cósmicos de dentro de nossa galáxia e aqueles que vêm de outro lugar. Parece que os raios cósmicos galácticos deixam de ser observados em 3 × 1018 eV – exatamente a mesma energia em que os raios cósmicos extragalácticos começam a ficar mais pesados com a energia. Isso é estranho, dado que os raios cósmicos galácticos e extragalácticos vêm de fontes muito diferentes (mesmo que ainda não saibamos de onde estes se originam).

dado que estas duas coincidências dependem de processos e propriedades que nem sequer estão vagamente relacionadas, porque estão a acontecer nas mesmas escalas de energia? Uma razão poderia ser que estas coincidências simplesmente não existem. Isso certamente seria o caso se os raios cósmicos extragalácticos não ficam mais pesados com a energia, mas são sempre protões; as coincidências desapareceriam então. Na verdade, Pavlidou e seu colega de Creta, Theodore Tomaras, acham que os UHECRs poderiam ser principalmente protões, o único problema seria haver algum novo fenômeno físico desconhecido que afeta os chuveiros de ar acima de uma certa energia.

pode parecer estranho, mas há uma boa razão para não rejeitar a ideia. Os físicos modelam como as partículas no chuveiro do ar interagem com base em sua compreensão do Modelo Padrão da física de partículas, mas nunca foi testado (mesmo no LHC) em energias tão altas. Além disso, estas simulações ficam muito aquém de explicar todas as propriedades observadas nos chuveiros de ar. Então tens duas escolhas desagradáveis. Ou os raios cósmicos são protões e a nova física está a fazê-los parecer pesados. Ou UHECRs são partículas pesadas e o Modelo Padrão precisa de alguns ajustes sérios.

mas se os UHECRs são protões, descobrir como os protões podem ser mascarados como partículas mais pesadas exigirá algum pensamento alternativo. Uma possibilidade emocionante é que a colisão inicial do próton produz um mini buraco negro, cuja existência é prevista por teorias com grandes dimensões extras. “Para o número certo de tais dimensões eles podem realmente ter a massa desejada”, explica Tomaras. “Mini buracos negros decairiam instantaneamente para um grande número de Hádrons compartilhando a energia do buraco negro, fazendo com que a primária de prótons pareça pesada.”

Olhando para o céu a partir de debaixo de água

Outra alternativa seria a de invocar a existência de ainda não descobertas fases da cromodinâmica quântica (QCD) – a teoria que descreve como os quarks estão ligados no interior de prótons, nêutrons e outras hádrons. Tomaras admite, no entanto, que estes são cenários “exóticos”. “Ainda não descobrimos grandes dimensões extras”, diz ele, ” e temos razões para suspeitar que a seção transversal de produção de mini buracos negros provavelmente será muito pequena para servir o nosso propósito e, além disso, ainda não temos uma compreensão quantitativa robusta das fases de QCD. No entanto, se as superfícies de prova de UHECRs são protões, Tomaras acredita que é” quase inevitável ” que tais fenômenos exóticos ocorrem na natureza.o que os acelera?

deixando de lado a falta de certeza em torno do que são os UHECRs, a questão que realmente importa é: o que os faz? Aqui, a imagem é ainda mais confusa. Até recentemente, alguns físicos estavam explorando ideias exóticas conhecidas como” modelos top-down ” que vão além do Modelo Padrão. A idéia é que objetos desconhecidos de alta energia, como a matéria escura super pesada-com massas 1012 vezes maiores que a massa de prótons – se decompor em partículas UHECR. A pegada com esses modelos é que eles sugerem que os raios cósmicos devem ser dominados por fótons e neutrinos, enquanto os dados do Observatório Pierre Auger, Telescópio Array e em outros lugares sugerem partículas carregadas. “Já ninguém tenta construir modelos exóticos da clássica configuração top-down”, explica Engel.embora o cenário de matéria escura exótica não tenha sido totalmente descartado como a fonte das UHECRs, os pesquisadores estão mais seriamente contemplando se eventos astrofísicos extremamente violentos poderiam ser responsáveis por tais energias elevadas. Pulsares, rajadas de raios gama, jatos de núcleos galácticos ativos, galáxias starburst e outros foram propostos, com a opinião popular oscilando entre eles.Roberto Aloisio, do Instituto de Ciência de Gran Sasso, na Itália, acredita que os resultados de Auger – sugerindo partículas UHECR mais pesadas nas energias mais altas – são um desenvolvimento importante. “É mais fácil acelerar núcleos pesados do que prótons porque os mecanismos de aceleração sempre sentem a carga elétrica das partículas – e núcleos mais pesados do que prótons sempre têm carga elétrica maior”, explica. Como resultado, Aloisio sugere que Auger aponta para pulsares como a fonte de UHECRs, que produzem elementos mais pesados e podem conduzir essas partículas para a energia necessária (Prog. Theor. Expo. Phys. 2017 12A102).

atualmente, no entanto, há um candidato que está à frente de todos os outros como a fonte de UHECRs. “Se eu tivesse que apostar eu definitivamente colocaria todo o meu dinheiro em galáxias starburst”, diz Luis Anchordoqui, da Universidade da cidade de Nova York, que é um membro da equipe de 500 pessoas. Galáxias Starburst são as mais luminosas do universo, formando estrelas a uma velocidade furiosa. Como Anchordoqui e colegas primeira hipótese, em 1999, nas proximidades estrela galáxias acelerar os núcleos de ultra energias através de um esforço coletivo, combinação de numerosas supernovas, explosões na central densa região da galáxia para criar um galáctica-escala “superwind” de outflowing gás.

à medida que este super vento se expande, torna – se menos denso, desacelerando o fluxo para a velocidade subsônica-em efeito, detendo o progresso do próprio super vento. “Isso produz uma onda de choque gigantesca, semelhante à produzida após a explosão de uma bomba nuclear, mas muito mais poderosa”, diz Anchordoqui.

crucialmente, este processo de acelerador de choque difusivo, ou DSA, pode chicotear partículas de gás para perto da velocidade da luz. Partículas ganham energia incrementalmente por serem confinadas por campos magnéticos, e cruzando e recrossando a frente de choque. Dando voltas e voltas ao acelerador astrofísico, estas pequenas cargas de energia acumulam-se até a partícula atingir a velocidade de escape e voar para o espaço. Anchordoqui revisitou recentemente o trabalho no contexto das últimas descobertas de Auger (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, que não só ocorre em galáxias starburst, é muitas vezes invocado para explicar a aceleração de partículas proposta em rajadas de raios gama, núcleos galácticos ativos e outros candidatos à fonte UHECR. No entanto, no início de 2018, Kohta Murase e seus colaboradores da Penn State University mostraram que um mecanismo de aceleração diferente poderia estar em jogo (Phys. Rev. D 97 023026).

em seu modelo, raios cósmicos comuns existentes em uma determinada Galáxia são dados um enorme impulso de energia por poderosos jatos de núcleos galácticos ativos, através de um mecanismo conhecido como aceleração de cisalhamento discreta. É um processo complexo envolvendo a interação entre a partícula, distúrbios locais no campo magnético e a diferença de velocidade – ou “cisalhamento” – de diferentes partes do fluxo do jato e do casulo ambiente. Mas, no final, o efeito é semelhante à DSA. “Os raios cósmicos ganham energia espalhando-se para trás e para a frente em torno da fronteira do cisalhamento”, explica Murase, após o qual eles escapam através dos lóbulos de rádio que são frequentemente encontrados no final dos jatos.ainda mais recentemente, Murase e Ke Fang Da Universidade de Maryland (Nature Phys. 14 396) revisited an idea that powerful black hole jets in aggregates of galaxies could be powering UHECRs. Para começar, eles compararam seu modelo com os dados de fluxo de UHECR observados pela Auger, revelando uma boa correspondência com observações experimentais. Mas o mais intrigante, eles mostraram que, detalhando como UHECRs, neutrinos e raios gama podem ser produzidos pelo active galactic núcleos, eles poderiam explicar os dados coletados pelo IceCube Neutrino Observatory, na Antártida, Fermi Gamma-ray Space Telescope e o Trado simultaneamente. “A mais bela possibilidade é que todas as três partículas mensageiras se originem da mesma classe de fontes”, acrescenta Murase.de onde vêm?se soubéssemos de onde vêm os UHECRs no céu, a tarefa de escolher qual fonte os produziu seria muito mais fácil. Mas não existe tal coisa como “fácil” na ciência dos raios cósmicos. Os cientistas Auger e Telescope Array usam catálogos de objetos potenciais candidatos que poderiam acelerar UHECRs e, em seguida, tentar combiná-los com as direções de chegada dos raios cósmicos que eles observam. À medida que mais e mais dados chegam, ambas as instalações identificaram uma área da qual uma grande proporção destes raios parecem ter origem.

No caso de Auger, esta área contém um número de galáxias starburst, mas também Centaurus a – a galáxia gigante mais próxima da Via Láctea que hospeda um núcleo galáctico ativo. Quanto ao telescópio Array, seu “ponto quente”, que se encontra logo abaixo do cabo da constelação Ursa Major, é uma indicação ainda mais clara de uma direção de chegada, com um quarto dos sinais uhecr detectados vindo de um círculo de 40° que perfaz apenas 6% do céu. Mas embora a galáxia starburst M82 esteja no ponto quente, a cerca de 12 milhões de anos-luz de Distância em Ursa Maior, vários outros tipos de objetos naquele pedaço de céu também podem ser um local de nascimento UHECR.

“a correlação está na direção de M82 se você quiser dizer que são galáxias starburst, ou é a direção de Centaurus a, se você quiser que seja núcleos galácticos ativos”, diz Engel. “Embora os dados se correlacionem melhor com galáxias starburst, isso não significa que eles serão as fontes.”

assim como nós não sabemos o que UHECRs são ou o que os acelera, então onde no céu eles se originam é envolto da vista também. No entanto, pode não demorar muito até encontrarmos a resposta. Upgrades to the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array are in progress, while researchers are exploring new facilities, such as the Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) satellites.

O mistério da massa e origem destas partículas enigmáticas poderia, em uma década, finalmente ser exposto.