Deeltjes kleiner dan een atoom razen bijna met de lichtsnelheid door het heelal, vanuit iets de ruimte in geschoten, ergens, in de kosmos.

Een wetenschappelijke samenwerking van het Pierre Auger Observatorium, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Delaware, heeft de krachtigste van deze deeltjes - ultrahoogenergetische kosmische straling - met ongekende precisie gemeten. Daarbij, ze hebben een "knik" in het energiespectrum gevonden die meer licht werpt op de mogelijke oorsprong van deze subatomaire ruimtereizigers.

De bevindingen van het team zijn gebaseerd op de analyse van 215, 030 kosmische stralingsgebeurtenissen met energieën van meer dan 2,5 triljoen elektronvolt (eV), het afgelopen decennium geregistreerd door het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Het is het grootste observatorium ter wereld voor het bestuderen van kosmische straling.

De nieuwe spectrale functie, een knik in het energiespectrum van kosmische straling bij ongeveer 13 triljoen elektronvolt, staat voor meer dan punten die in een grafiek zijn uitgezet. Het brengt de mensheid een stap dichter bij het oplossen van de mysteries van de meest energetische deeltjes in de natuur, volgens Frank Schroeder, assistent-professor aan het Bartol Research Institute in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de UD, die betrokken was bij het onderzoek met de steun van de University of Delaware Research Foundation. Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en Natuurkunde Beoordeling D .

"Sinds kosmische straling 100 jaar geleden werd ontdekt, de al lang bestaande vraag was, wat versnelt deze deeltjes?" zei Schroeder. "De metingen van de Pierre Auger Collaboration geven belangrijke hints over wat we als bron kunnen uitsluiten. Van eerder werk, we weten dat de versneller zich niet in onze melkweg bevindt. Door deze laatste analyse, we kunnen onze eerdere aanwijzingen bevestigen dat ultrahoge-energetische kosmische straling niet alleen protonen van waterstof zijn, maar ook een mix van kernen van zwaardere elementen, en deze samenstelling verandert met energie."

Tussen de "enkel" en de "teen"

Schroeder en UD-postdoctoraal onderzoeker Alan Coleman, die hebben meegewerkt aan de data-analyse, zijn al enkele jaren lid van de Pierre Auger Collaboration. UD trad in 2018 officieel toe tot de samenwerking als institutioneel lid. Dit team van meer dan 400 wetenschappers uit 17 landen exploiteert het observatorium, die een 1 inneemt 200 vierkante mijl gebied, ongeveer zo groot als Rhode Island.

Het observatorium heeft meer dan 1 600 detectoren, water-Cherenkov-stations genaamd, verspreid over de hoogvlakten van de Pampa Amarilla (Gele Prairie), over het hoofd gezien door 27 fluorescentietelescopen. collectief, deze instrumenten meten de energie die een ultrahoogenergetisch kosmisch stralingsdeeltje in de atmosfeer afgeeft en geven een indirecte evaluatie van zijn massa. Al deze gegevens - energie, massa en de richting van waaruit deze buitengewone deeltjes kwamen - leveren belangrijke aanwijzingen op over hun oorsprong.

Eerder, wetenschappers dachten dat deze ultrahoge-energetische kosmische stralingsdeeltjes meestal protonen van waterstof waren, maar deze laatste analyse bevestigt dat de deeltjes een mix van kernen hebben - sommige zwaarder dan zuurstof of helium, zoals silicium en ijzer, bijvoorbeeld.

Uitgezet op de gebogen grafiek die het energiespectrum van de kosmische straling weergeeft, je kunt de knik zien - een steile, afgeplatte gedeelte - tussen het gebied dat door wetenschappers wordt aangeduid als "de enkel, " en het beginpunt van de grafiek, "de teen" genoemd.

"We hebben er geen specifieke naam voor, " zei Coleman, die in het 20-koppige team zat dat de computercode schreef en het rekenwerk deed dat nodig was voor de uitgebreide gegevensanalyse. "Ik denk dat we bijna geen delen van de anatomie meer hebben om het te noemen, " hij zei, grapje.

Direct betrokken bij de vondst, Coleman verbeterde de reconstructie van de deeltjescascade, die kosmische stralen creëren wanneer ze de atmosfeer raken, om de energie in te schatten. Hij voerde ook gedetailleerde studies uit om er zeker van te zijn dat dit nieuwe buigpunt echt was en geen artefact van de detector. Het werk van de datagroep nam meer dan twee jaar in beslag.

"Blijkbaar, het is vrij klein, Coleman zei over de spectrale knik. Maar elke keer als je zo'n bult ziet, dat geeft aan dat de fysica aan het veranderen is en dat is heel spannend."

Het is erg moeilijk om de massa van binnenkomende kosmische straling te bepalen, zei Coleman. Maar de meting van de samenwerking is zo robuust en nauwkeurig dat een aantal andere theoretische modellen voor waar ultrahoge energetische kosmische straling vandaan komt, nu kunnen worden geëlimineerd. terwijl andere wegen met meer kracht kunnen worden gevolgd.

Actieve galactische kernen (AGN) en starburst-sterrenstelsels zijn nu in de running als potentiële bronnen. Hoewel hun typische afstand zo'n 100 miljoen lichtjaar verwijderd is, een paar kandidaten bevinden zich binnen 20 miljoen lichtjaar.

"Als we zouden weten wat de bronnen waren, we zouden kunnen kijken naar nieuwe details over wat er aan de hand is, " zei Coleman. Wat gebeurt er dat deze ongelooflijk hoge energieën mogelijk maakt? Deze deeltjes kunnen afkomstig zijn van iets dat we niet eens weten."

Lopend onderzoek door het UD-team richt zich op het verder vergroten van de meetnauwkeurigheid van ultrahoge-energetische kosmische straling en het uitbreiden van de nauwkeurige meting van het kosmische stralingsspectrum tot lagere energieën. Dat zou een betere overlap met andere experimenten opleveren, Schroeder zei, zoals de kosmische stralingsmetingen van IceCube op de Zuidpool - een ander uniek astrodeeltjesobservatorium met grote betrokkenheid van de Universiteit van Delaware.