långt, långt borta, något – någonstans-skapar partiklar med galna mängder energi. Vad de än är eller var de än kommer ifrån kan dessa partiklar vara allt mellan 1018 eV och 1020 ev. Med tanke på att TOPPPARTIKELENERGIN vid CERNs Large Hadron Collider är cirka 1013 eV, är några av dessa partiklar en miljon gånger mer energiska än vad vi kan Mode på den mest kraftfulla partikelacceleratorn på planeten. Helt enkelt är de de mest energiska partiklarna som någonsin sett i naturen.

känd som ultrahigh-energy kosmiska strålar (UHECRs) upptäcktes dessa partiklar 1962. De är de superenergiska bröderna av kosmiska strålar med gemensam eller trädgård, som först upptäcktes av österrikisk forskare Victor Hess under en berömd serie vågiga luftballongflygningar 50 år tidigare. Men medan vi vet mycket om vanliga kosmiska strålar, vad UHECRs är gjorda av, var i himlen de kommer ifrån och vad som accelererar dem förblir ett mysterium.

lyckligtvis regnar vissa UHECRs ibland ner på planeten jorden. När en sådan stråle kommer in i atmosfären kolliderar den med luftmolekyler, som i sin tur knackar in i andra partiklar, vilket resulterar i en kaskadeffekt hela vägen till marken. Resultatet är en dusch av partiklar spridda över ett område 5 km brett vid jordens yta. Och tack vare Pierre Auger Observatory i Argentina och teleskopet Array i Utah kan vi upptäcka dessa duschar och extrahera information om kosmiska strålar själva.

båda anläggningarna består av en rad ytdetektorer – i fallet med skruv, 1660 stora fat vardera med över 12 000 liter vatten spridda över 3000 km2. När en partikel från en dusch flyger in i en detektor skapar den en elektromagnetisk chockvåg som plockas upp av ljusdetekterande rör monterade på detektorns tankar. Forskare kan sedan kombinera denna information med data från 27 teleskop prickade i hela matrisen som samlar fluorescensljuset som skapas när kaskaden exciterar kväve i luften.

denna kombinerade teknik ger ett exakt mått på flödet, ankomstriktningen och energin hos UHECRs. Och förra året, som ett resultat av detta arbete, visade Pierre Auger-forskare otvetydigt att de mest kraftfulla kosmiska strålarna kommer utanför Vintergatan, inte inifrån vår galax (Science 357 1266). Med tanke på att vi har känt till kosmiska strålar i över ett sekel, kan detta genombrott verka underväldigande och lite försenat. I verkligheten återspeglar det dock den gigantiska utmaningen som forskare står inför. Kosmiska strålar med en energi över 1020 ev landar – i genomsnitt – bara en gång per kvadratkilometer på jorden per århundrade.

kosmiska strålar med en energi över 1020 ev land-i genomsnitt – bara en gång per kvadratkilometer på jorden per århundrade

Vad är UHECRs gjorda av?

Data som samlats in under årtionden visar att kosmiska strålar med låg energi-som mestadels är protoner, kärnor och elektroner – verkar komma från alla håll på himlen. Forskare tillskriver denna spridning till strålarna som avböjs i alla riktningar av magnetfälten som genomtränger vår galax, vilket utesluter allt hopp om att någonsin nollställa in på deras källa direkt. UHECRs är en annan sak. De driver genom galaktiska magnetfält så bra att de avböjs med bara några grader. ”Vi kan använda dem som astronomiska budbärare för att hitta källorna direkt”, förklarar Ralph Engel, talesman för Pierre Auger Observatory.

under en uhecr-luftdusch involverar kaskadeffekten fler och fler partiklar när duschen skyter genom atmosfären. Varje interaktion förlorar emellertid energi, vilket innebär att antalet duschpartiklar börjar minska, med endast en liten fraktion som når marken. Men genom att veta hur luftduschen sprider sig i atmosfären kan Auger-och Teleskoparray-forskare simulera partikelinteraktionerna för att härleda var i atmosfären duschen var på topp. Och genom att kombinera duschtoppvärdet med den uppmätta duschenergin kan de dra slutsatsen – och därmed identiteten – av UHECRs.

När Augerforskare tillämpade denna metod förväntade de sig att UHECRs med högsta energi helt enkelt skulle tillverkas av protoner. Istället hittade de något konstigt. När UHECRs energi ökade från 1018 eV till 1020 eV, så gjorde massan. ”Vi börjar med många protoner runt 1019 eV,” förklarar Engel. ”Då är det plötsligt en drastisk förändring av helium och sedan element i området kol och kväve.”ökningen av uhecr: s massa när strålarna blir mer energiska är ett problem för både experimentalister och teoretiker. Vad som är knepigt för Augerforskare är att tyngre UHECRs blir avböjda mer av Vintergatans magnetfält, vilket gör det ännu mer utmanande att utarbeta sin källa. För teoretiker som Vasiliki Pavlidou vid Kretas universitet är problemet å andra sidan mer grundläggande: det kan utmana hela vår förståelse av högenergifysik. ”Om de primära partiklarna vid de högsta energierna verkligen blir tyngre, finns det ett par obekväma tillfälligheter som vi måste acceptera,” säger hon.

enligt konventionell visdom förlorar kosmiska strålar över en viss energi snabbt energi när de interagerar med fotoner i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, vilket innebär att energin hos UHECRs som ses på jorden borde begränsas till cirka 1020 eV. Men om de observerade partiklarna blir tyngre med energi, måste den astrofysiska processen som accelererar de kosmiska strålarna i första hand – vad det än är – springa nära sin högsta energi. (De lättare partiklarna kommer då helt enkelt att vara för puny för att nå de höga energierna.) 1020 ev UHECR-energigränsen styrs därför av två helt orelaterade processer: hur partiklarna accelereras vid sin extragalaktiska källa och hur de förlorar energi när de reser genom interstellärt utrymme. Det är den första udda slumpen.

det andra tillfället har att göra med kosmiska strålar från vår galax och de som kommer från andra håll. Det verkar som om galaktiska kosmiska strålar slutar observeras vid 3 oz 1018 eV-exakt samma energi vid vilken extragalaktiska kosmiska strålar börjar bli tyngre med energi. Det är konstigt med tanke på att galaktiska och extragalaktiska kosmiska strålar kommer från mycket olika källor (även om vi fortfarande inte vet var den senare kommer ifrån).

Med tanke på att dessa två tillfälligheter beror på processer och egenskaper som inte ens är vagt relaterade, varför händer de på samma energiskalor? En anledning kan vara att dessa tillfälligheter helt enkelt inte existerar. Det skulle säkert vara fallet om extragalaktiska kosmiska strålar inte blir tyngre med energi utan bara alltid är protoner; tillfälligheterna skulle då bara blekna bort. Pavlidou och hennes Kretekollega Theodore Tomaras tror faktiskt att UHECRs huvudsakligen kan vara protoner, den enda haken där skulle behöva finnas något nytt oupptäckt fysiskt fenomen som påverkar luftduscharna över en viss energi.

det kan låta outlandish, men det finns goda skäl att inte avvisa tanken direkt. Fysiker modellerar hur partiklarna i luftduschen interagerar baserat på deras förståelse av standardmodellen för partikelfysik, men den har aldrig testats (även vid LHC) vid så höga energier. Dessutom faller dessa simuleringar långt ifrån att förklara alla observerade luftduschegenskaper. Så du har två obehagliga val. Antingen kosmiska strålar är protoner och ny fysik gör att de verkar tunga. Eller UHECRs är tunga partiklar och standardmodellen behöver några allvarliga tweaking.

men om UHECRs är protoner, kommer det att krävas ett alternativt tänkande att räkna ut hur protoner kan maskeras som tyngre partiklar. En spännande möjlighet är att protonens första kollision ger ett mini svart hål, vars existens förutses av teorier med stora extra dimensioner. ”För rätt antal sådana dimensioner kan de faktiskt ha önskad massa”, förklarar Tomaras. ”Mini svarta hål skulle förfallna omedelbart till ett stort antal hadroner som delar den svarta hålenergin, vilket gör protonens primära ”utseende” tung.”

titta på himlen från under vatten

ett annat alternativ skulle vara att åberopa förekomsten av ännu oupptäckta faser av kvantkromodynamik (QCD)-teorin som beskriver hur kvarkar är bundna inuti protoner, neutroner och andra hadroner. Tomaras medger dock att dessa är ”exotiska” scenarier. ”Vi har ännu inte upptäckt stora extra dimensioner,” säger han, ”och vi har skäl att misstänka att produktionstvärsnittet av mini svarta hål sannolikt kommer att vara för litet för att tjäna vårt syfte och dessutom har vi inte en robust kvantitativ förståelse för faserna av QCD ännu.”Men om bevisytor av UHECRs är protoner, tror Tomaras att det är” nästan oundvikligt ” att sådana exotiska fenomen förekommer i naturen.

vad accelererar dem?

bortsett från bristen på säkerhet kring vad UHECRs är, är frågan som verkligen betyder något: vad gör dem? Här är bilden ännu mer förvirrad. Fram till nyligen undersökte vissa fysiker exotiska ideer som kallas ”top-down-modeller” som går utöver standardmodellen. Tanken är att högenergi, okända föremål som supertung mörk materia-med massor 1012 gånger större än protonmassan-skulle sönderfalla ner till UHECR – partiklar. Fångsten med dessa modeller är att de föreslår att kosmiska strålar bör domineras av fotoner och neutrinor, medan data från Pierre Auger Observatory, Teleskopuppsättning och på andra håll föreslår mestadels laddade partiklar. ”Ingen försöker bygga exotiska modeller av den klassiska top-down-uppställningen längre”, förklarar Engel.

Även om det exotiska mörkmaterialscenariot inte helt har uteslutits som källa till UHECRs, överväger forskare mer allvarligt om extremt våldsamma astrofysiska händelser istället kan vara ansvariga för sådana höga energier. Pulsar, gammastrålningsbrott, strålar från aktiva galaktiska kärnor, starburstgalaxer och andra har föreslagits, med populär åsikt som svänger mellan dem.Roberto Aloisio från Gran Sasso Science Institute i Italien anser att Augers resultat – vilket tyder på tyngre uhecr – partiklar vid de högsta energierna-är en viktig utveckling. ”Det är lättare att accelerera tunga kärnor än protoner eftersom accelerationsmekanismerna alltid känner partiklarnas elektriska laddning – och kärnor tyngre än protoner har alltid större elektrisk laddning,” förklarar han. Som ett resultat föreslår Aloisio skruvpunkter mot pulsarer som källa till UHECRs, som producerar tyngre element och kan driva dessa partiklar till den nödvändiga energin (Prog. Theor. Exp. Phys. 2017 12A102).

För närvarande finns det dock en kandidat som ligger framför alla andra som källa till UHECRs. ”Om jag var tvungen att satsa skulle jag definitivt lägga alla mina pengar i starburst galaxies”, säger Luis Anchordoqui från City University of New York, som är medlem i det 500-starka Auger-teamet. Starburst galaxer är de mest lysande i universum och bildar stjärnor i rasande takt. Som Anchordoqui och kollegor först antog 1999 accelererar närliggande starburstgalaxer kärnor till ultrahöga energier genom en kollektiv ansträngning, som kombinerar många supernovaexplosioner i den centrala täta regionen av galaxen för att skapa en galaktisk skala ”supervind” av utflödesgas.

När denna supervind expanderar blir den mindre tät, saktar flödet ner till subsonisk hastighet – i själva verket stoppar supervindens framsteg. ”Detta ger en gigantisk chockvåg, liknande den som produceras efter explosionen av en atombomb, men mycket kraftfullare”, säger Anchordoqui.

avgörande, denna process av diffusiv chockaccelerator, eller DSA, kan piska upp gaspartiklar till nära ljusets hastighet. Partiklar får energi stegvis genom att begränsas av magnetfält och korsar och korsar chockfronten. Går runt och runt den astrofysiska acceleratorn, dessa lilla energi ökar bygga upp tills partikeln når flykthastighet och flyger ut i rymden. Anchordoqui reviderade nyligen arbetet i samband med Augers senaste resultat (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, som inte bara förekommer i starburstgalaxer, åberopas ofta för att förklara föreslagen partikelacceleration i gammastrålningsbrott, aktiva galaktiska kärnor och andra uhecr-källkandidater. Men i början av 2018 visade Kohta Murase och hans medarbetare från Penn State University att en annan accelerationsmekanism kunde vara på spel (Phys. Rev. D 97 023026).i sin modell ges vanliga kosmiska strålar som finns i en viss galax en enorm energiökning av kraftfulla strålar av aktiva galaktiska kärnor, genom en mekanism som kallas diskret skjuvacceleration. Det är en komplex process som involverar interaktionen mellan partikeln, lokala störningar i magnetfältet och hastighetsskillnaden – eller ”skjuvning” – av olika delar av strålens flöde och omgivande kokong. Men i slutändan liknar effekten DSA. ”De kosmiska strålarna får energi via spridning fram och tillbaka runt skjuvgränsen”, förklarar Murase, varefter de flyr genom radioloberna som ofta finns i slutet av strålarna.

ännu mer nyligen, Murase och Ke Fang från University of Maryland (Nature Phys. 14 396) reviderade en uppfattning om att kraftfulla svarta hålstrålar i aggregat av galaxer skulle kunna driva UHECRs. Till att börja med jämförde de sin modell med Augers observerade uhecr-flödes-och kompositionsdata, vilket avslöjade en bra matchning med experimentella observationer. Men mest spännande visade de att genom att beskriva hur UHECRs, neutrinos och gammastrålar alla kan produceras av aktiva galaktiska kärnor, kunde de förklara de data som samlats in av IceCube Neutrino Observatory i Antarktis, Fermi Gamma-ray Space Telescope och Auger samtidigt. ”Den vackraste möjligheten är att alla tre budbärarpartiklarna kommer från samma klass av källor,” tillägger Murase.

var kommer de ifrån?

om vi visste var i himlen UHECRs kommer ifrån, skulle uppgiften att välja vilken källa som producerade dem vara mycket enklare. Men det finns inget sådant som ”lätt” i kosmisk strålvetenskap. Oförskämda, skruv-och Teleskoparray forskare använder kataloger över potentiella kandidatobjekt som kan accelerera UHECRs och sedan försöka matcha dem med ankomstriktningarna för de kosmiska strålarna de observerar. När fler och fler data anländer har båda anläggningarna identifierat ett område från vilket en stor del av dessa strålar verkar ha sitt ursprung.

När det gäller Auger innehåller detta område ett antal starburstgalaxer, men också Centaurus A – den närmaste jättegalaxen till Vintergatan som är värd för en aktiv galaktisk kärna. När det gäller Teleskopmatrisen är dess ”hot spot”, som ligger precis under handtaget på Ursa Major constellation, en ännu tydligare indikation på en ankomstriktning, med en fjärdedel av upptäckta UHECR-signaler som kommer från en 40 megapixelcirkel som utgör endast 6% av himlen. Men även om starburst galaxy M82 är bosatt i hot spot, cirka 12 miljoner ljusår bort i Ursa Major, kan olika andra typer av föremål i den himlen också vara en uhecr-födelseplats.

”korrelationen är i riktning mot M82 om du vill säga att det är starburst galaxer, eller det är riktningen för Centaurus A, om du vill att den ska vara aktiva galaktiska kärnor”, säger Engel. ”Även om data korrelerar bättre med starburst galaxer, betyder det inte att de kommer att vara källorna.”

precis som vi inte vet vad UHECRs är eller vad som accelererar dem, så var i himlen de härstammar är höljd från syn också. Det kanske dock inte dröjer länge innan vi hittar svaret. Uppgraderingar till Pierre Auger Observatory och Telescope Array pågår, medan forskare utforskar nya anläggningar, såsom sonden av extrema Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) satelliter.

mysteriet om massan och ursprunget till dessa gåtfulla partiklar kunde inom ett decennium äntligen blottas.