ميزة جديدة موجودة في طيف الطاقة لأقوى جسيمات الكون

الجسيمات الأصغر من الذرة تندفع عبر الكون بسرعة الضوء تقريبًا ، تنفجر في الفضاء من شيء ما في مكان ما في الكون.

قام تعاون علمي لمرصد بيير أوجيه ، بما في ذلك باحثون من جامعة ديلاوير ، بقياس أقوى هذه الجسيمات- فائقة-أشعة كونية عالية الطاقة– بدقة غير مسبوقة. من خلال القيام بذلك ، وجدوا “مكامن الخلل” في طيف الطاقة هذا يسلط مزيدًا من الضوء على الأصول المحتملة لهؤلاء المسافرين إلى الفضاء دون الذريين.

تستند النتائج التي توصل إليها الفريق إلى تحليل 215،030 حدثًا من أحداث الأشعة الكونية ذات طاقات تزيد عن 2.5 كوينتيليون إلكترون فولت ، والتي سجلها مرصد بيير أوجيه في الأرجنتين خلال العقد الماضي. إنه أكبر مرصد للدراسة في العالم الأشعة الكونية.

السمة الطيفية الجديدة ، التواء في الأشعة الكونية الطاقة الطيف عند حوالي 13 كوينتيليون إلكترون فولت ، يمثل أكثر من النقاط المرسومة على الرسم البياني. إنه يجعل البشرية أقرب إلى حل ألغاز الجسيمات الأكثر نشاطًا في الطبيعة ، وفقًا لفرانك شرودر ، الأستاذ المساعد في معهد بارتول للأبحاث في قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة دي في دي ، والذي شارك في الدراسة بدعم من الجامعة. من مؤسسة أبحاث ديلاوير. تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية و مراجعة الفيزياء د.

“منذ اكتشاف الأشعة الكونية قبل 100 عام ، كان السؤال الذي طال أمده هو ، ما الذي يسرع هذه الجسيمات؟” قال شرودر. “توفر قياسات Pierre Auger Collaboration تلميحات مهمة حول ما يمكننا استبعاده كمصدر. من العمل السابق ، نعلم أن المسرع ليس في مجرتنا. من خلال هذا التحليل الأخير ، يمكننا تأكيد المزيد من المؤشرات السابقة التي تشير إلى أن الطاقة الفائقة الأشعة الكونية ليست مجرد بروتونات هيدروجين ، ولكنها أيضًا مزيج من نوى من عناصر أثقل، وهذا التكوين يتغير مع الطاقة “.

بين “الكاحل” و “إصبع القدم”

شرودر وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة دي في دي آلان كولمان ، الذي ساهم في تحليل البيانات ، كانا أعضاء في تعاون بيير أوجيه لعدة سنوات. انضم UD رسميًا إلى التعاون كعضو مؤسسي في عام 2018. يقوم هذا الفريق المكون من أكثر من 400 عالم من 17 دولة بتشغيل المرصد ، الذي يشغل مساحة 1200 ميل مربع ، أي بحجم جزيرة رود.

يحتوي المرصد على أكثر من 1600 جهاز كشف تسمى محطات Water-Cherenkov المنتشرة عبر السهول العالية في Pampa Amarilla (Yellow Prairie) ، ويطل عليها 27 تلسكوبًا مضيئًا. بشكل جماعي ، تقيس هذه الأدوات الطاقة التي يطلقها جسيم الأشعة الكونية عالي الطاقة في الغلاف الجوي وتوفر تقييمًا غير مباشر لكتلته. كل هذه البيانات – الطاقة والكتلة والاتجاه الذي وصلت منه هذه الجسيمات غير العادية – تقدم أدلة مهمة حول أصولها.

في السابق ، اعتقد العلماء أن جسيمات الأشعة الكونية فائقة الطاقة هذه هي في الغالب بروتونات الهيدروجين ، لكن هذا التحليل الأخير يؤكد أن الجسيمات لديها مزيج من النوى – بعضها أثقل من الأكسجين أو الهيليوم ، مثل السيليكون والحديد ، على سبيل المثال.

مرسومًا على الرسم البياني المنحني الذي يمثل طيف طاقة الأشعة الكونية ، يمكنك رؤية الالتواء – قسم حاد ومسطّح – بين المنطقة التي يشير إليها العلماء باسم “الكاحل” ونقطة بداية الرسم البياني ، والتي تسمى “إصبع القدم . “

قال كولمان ، الذي كان عضوًا في الفريق المكون من 20 شخصًا والذي كتب رمز الكمبيوتر وقام بالعدد المطلوب للطحن الشامل: “ليس لدينا اسمًا محددًا لها”. تحليل البيانات. وقال مازحا “أعتقد أننا نفد من أجزاء من علم التشريح نسميها”.

شارك كولمان بشكل مباشر في هذا الاكتشاف ، وقام بتحسين إعادة بناء سلسلة الجسيمات ، التي تخلقها الأشعة الكونية عند اصطدامها بالغلاف الجوي ، من أجل تقدير الطاقة. كما أجرى دراسات مفصلة للتأكد من أن نقطة الانعطاف الجديدة هذه كانت حقيقية وليست قطعة أثرية للكاشف. استغرق عمل مجموعة البيانات أكثر من عامين.

قال كولمان عن التشويش الطيفي: “من الواضح أنه طفيف للغاية”. “لكن في كل مرة ترى فيها نتوءًا مثل هذا ، فهذا يشير إلى أن الفيزياء تتغير وهذا أمر مثير للغاية.”

قال كولمان إنه من الصعب جدًا تحديد كتلة الأشعة الكونية القادمة. لكن قياس التعاون صارم ودقيق لدرجة أنه يمكن الآن القضاء على عدد من النماذج النظرية الأخرى الخاصة بالمكان الذي تأتي منه الأشعة الكونية فائقة الطاقة ، بينما يمكن متابعة مسارات أخرى بقوة أكبر.

النوى المجرية النشطة (AGN) والمجرات النجمية تعمل الآن كمصادر محتملة. في حين أن المسافة النموذجية الخاصة بهم هي حوالي 100 مليون سنة ضوئية ، فإن عددًا قليلاً من المرشحين هم في غضون 20 مليون سنة ضوئية.

وقال كولمان: “إذا علمنا ما هي المصادر ، فيمكننا النظر في تفاصيل جديدة حول ما يجري”. ما الذي يحدث والذي يسمح لهذه الطاقات العالية بشكل لا يصدق؟ قد تأتي هذه الجسيمات من شيء لا نعرفه حتى “.

تركز الأبحاث الجارية التي يجريها فريق UD على زيادة دقة قياس الأشعة الكونية فائقة الطاقة وتوسيع القياس الدقيق لطيف الأشعة الكونية وصولاً إلى الطاقات المنخفضة. وقال شرودر إن ذلك من شأنه أن يخلق تداخلًا أفضل مع التجارب الأخرى ، مثل قياسات الأشعة الكونية لمكعب الجليد في القطب الجنوبي – وهو مرصد فريد آخر للجسيمات الفلكية بمشاركة كبيرة من جامعة ديلاوير.