vreemden, en in het bijzonder nucleairieten, hun zware soort, zijn erg dik, compacte en potentieel snelle objecten gemaakt van grote en ongeveer gelijke aantallen up, down en vreemde quarks, die het heelal kunnen bewonen. Hun bestaan ​​werd voor het eerst geopperd door Edward Witten in 1984. Deze objecten zijn nog nooit eerder gedetecteerd en hebben tot nu toe minder aandacht getrokken dan meteoren, misschien vanwege hun gebrek aan relevantie in de deeltjesfysica.

Eind 1984, theoretische natuurkundigen Alvaro De Rujula en Sheldon Lee Glashow introduceerden het idee dat, bij het doorkruisen van de aardatmosfeer, nucleairieten produceren licht op dezelfde manier als meteoren, verliezen daarbij weinig van hun energie. Als hun voorspelling klopt, teams die bij meteorenobservatoria werken, moeten kunnen bevestigen of deze objecten bestaan ​​of niet. Tot dusver, echter, zeer weinig onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar deze mogelijkheid.

Een ander kosmisch fenomeen geworteld in de deeltjesfysica, bekend als ultrahoge energie kosmische straling, deelt enkele van dezelfde theoretische kenmerken van nucleairieten. Deze kosmische stralen, in feite, produceren ook lichtsporen in de atmosfeer, al doen ze dit via een ander fysiek proces. In aanvulling, ze bewegen veel sneller dan nucleair en worden meestal waargenomen in de ultraviolette (UV) band.

In tegenstelling tot nucleair, kosmische straling met ultrahoge energie is al eerder gedetecteerd. Niettemin, ze zijn een zeer zeldzaam fenomeen, met fluxen lager dan 1 deeltje per vierkante kilometer per 100 jaar voor de hoogste energieën. Om ze op te sporen, wetenschappers moeten dus grote volumes van de atmosfeer monitoren met behulp van grote detectoren, wat uiteindelijk ook zou kunnen leiden tot de opsporing van nucleair materiaal.

Onderzoekers van RIKEN in Japan, het Nationaal Centrum voor Nucleair Onderzoek in Polen, Aix Marseille Universiteit-CNRS, de Poolse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Warschau hebben onlangs een zoektocht uitgevoerd naar kernwapens en andere zware compacte objecten op basis van fotografische gegevens verzameld door de "Pi of the Sky"-detectoren in het INTA El Arenosillo-testcentrum in Mazagaon bij Huelva, Spanje en bij het Las Campanas Observatorium in Chili. hun papier, journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.125.091101"> gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , introduceert een reeks limieten die toekomstige zoekopdrachten naar zware compacte objecten in het universum zouden kunnen leiden.

"Ik kwam op het idee om kernwapens met een camera te observeren toen ik me aansloot bij de JEM-EUSO-samenwerking, die van plan is een orbitale UV-telescoop te bouwen die de atmosfeer van de aarde bewaakt, vooral op zoek naar kosmische straling, maar ook nucleairieten, meteoren en andere verschijnselen, "Lech Wiktor Piotrowski, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een veel groter volume van de atmosfeer is zichtbaar vanuit de baan in vergelijking met de observatoria op de grond, dus de kans op detectie wordt vergroot met een orde van grootte."

Het belangrijkste doel van de recente studie van Piotrowski en zijn collega's was het ontdekken van kernwapens of andere zware compacte objecten die de atmosfeer doorkruisten op foto's gemaakt door de Pi of the Sky-detectoren, of om op zijn minst grenzen te stellen aan hun flux, als hun zoekopdracht geen positieve resultaten opleverde.

Hoewel de laatste UV-telescoop die is ontwikkeld door de JEM-EUSO-samenwerking zou kunnen helpen bij de studie van tal van kosmologische verschijnselen, de onderzoekers zijn er nog niet mee begonnen om waarnemingen te verzamelen (hoewel de gegevens van kleinere precursorexperimenten momenteel worden geanalyseerd). In hun recente studie, ze besloten daarom om beschikbare grondgegevens te gebruiken die waren verzameld als onderdeel van het Pi of the Sky-experiment.

De voorspelling dat kernwapens licht produceren als ze de atmosfeer doorkruisen, is gebaseerd op schattingen van hun dichtheid en potentiële snelheid. Dit kenmerk kan dus worden gedeeld door andere kosmologische objecten van verschillende aard.

Sinds De Rujula en Glashow hun theorie in 1984 introduceerden, de lijst met objecten waarvan wordt aangenomen dat ze lichtsporen in de atmosfeer van de aarde achterlaten, is aanzienlijk gegroeid, ook objecten die niet direct relevant zijn voor het gebied van deeltjesfysica, zoals kleine oerzwarte gaten. Terwijl hun zoektocht naar kernwapens vruchteloos was, het stelde Piotrowski en zijn collega's in staat een reeks limieten in te stellen die toekomstige zoekopdrachten naar zowel nucleaire als andere zware compacte objecten in het universum zouden kunnen beperken.

"Op de middelbare school, het lezen van een populair artikel over hypothetische 'vreemdelingen' en hoe ze de wereld kunnen vernietigen, overtuigde me dat ik deeltjesfysicus moest worden, " zei Piotrowski. "Ik ben er een geworden, maar in het proces Ik begon te denken dat ik nooit iets met die vreemden te maken zou hebben. Vervolgens, een paar jaar later, dankzij het werk dat ik heb uitgevoerd als onderdeel van de JEM-EUSO-samenwerking, Ik ontdekte dat met archiefgegevens van mijn oude luchtkijk-experiment Pi of the Sky, Ik zou een substantiële bijdrage kunnen leveren aan het onderwerp Strangelets. Zo is deze krant ontstaan."

Het kernidee achter het onderzoek van Piotrowski en zijn collega's is vrij eenvoudig. Als men 's nachts naar de lucht kijkt, hij/zij zou in theorie de sporen van nucleairieten en andere zware compacte voorwerpen moeten kunnen zien, net zoals hij/zij die ziet die zijn achtergelaten door meteoren of satellieten.

De sporen achtergelaten door kernwapens en andere zware compacte objecten, echter, moet iets anders zijn. Een kerniet moet door de hele atmosfeer kunnen gaan, dus het lichtspoor dat het achterlaat zou erg lang zijn en een constante helderheid afgeven die alleen verandert op basis van de fysieke afstand met een waarnemer. De onderzoekers zochten naar deze lange sporen in foto's die werden gemaakt als onderdeel van het Pi of the Sky-experiment.

"Het zien van zo'n baan zou ons een kandidaat geven, terwijl een gebrek aan detectie ons in staat zou stellen een limiet te stellen aan de stroom van nucleair afval en andere zware compacte objecten, Piotrowski legde uit. "Dit omvat het berekenen van de totale tijd van hemelobservaties en een effectief oppervlak van het volume van de waargenomen lucht, die afhangt van de richting van de detector, evenals in de veronderstelling dat de objecten uit alle mogelijke richtingen kwamen, vanuit een enkele richting of vanuit een aantal specifieke richtingsconfiguraties. Eindelijk, de limiet moet de detectie-efficiëntie van de detector omvatten (die kan worden verkregen door middel van simulaties), en informatie over hoe goed we onderscheid kunnen maken tussen de interessante objecten en andere sporen, zoals die afkomstig zijn van meteoren en satellieten."

De Pi of the Sky-detector maakt beelden van de lucht met behulp van CCD-camera's met commerciële fotografische lenzen erop, zonder filters. Het kan daarom beelden verzamelen die ongeveer weergeven wat een menselijke waarnemer zou zien als hij naar de lucht kijkt.

De belichtingen van de detector duren ongeveer 10 seconden en de camera's volgen de beweging van de sterren. Het kan dus ook worden gebruikt om informatie te verzamelen over hoe het volume van de atmosfeer in de loop van de nacht is veranderd.

"Tijdens het Pi of the Sky-experiment, we voorzagen geen onderzoek met betrekking tot sporen, en voerde een automatische analyse uit van sterren en sterachtige transiënten, waarna de meeste onbewerkte gegevens werden weggegooid, " zei Piotrowski. "De gelukkig resterende ruwe gegevens, over meerdere jaren en camera's, werd gebruikt voor de analyse die in onze paper wordt gepresenteerd."

De onderzoekers analyseerden alle onbewerkte frames die werden verzameld door de Pi of the Sky-detector, ongeveer 50% van hen weggooien vanwege hun slechte kwaliteit. Vervolgens, ze zochten naar afbeeldingen van tracks in de resterende frames van goede kwaliteit, waaronder 1766,05 uur aan waarnemingen verzameld door een enkele, 20x20 graden camera-equivalent. Hun zoektocht werd uitgevoerd met behulp van een op Hough-transform gebaseerd algoritme dat speciaal is ontworpen om sporen in afbeeldingen te identificeren.

"We hebben bijna 36 geïdentificeerd, 000 nummers in de gegevens, waarvan de meeste automatisch werden geclassificeerd als meteoren of satellieten, voornamelijk op basis van de variabiliteit van hun helderheid (de helderheid van een nucleairiet moet bijna constant zijn), de overige werden handmatig uitgefilterd, 29 kandidaten achterlatend, "Zei Piotrowski. "Negen daarvan werden gevonden in een catalogus van satellieten, 20 kandidaten achterlaten. In toekomstige specifieke experimenten, die kandidaten kunnen verder worden geclassificeerd op basis van hun snelheid, die niet kan worden afgeleid uit de geanalyseerde blootstellingen van 10 seconden."

Omdat de door de onderzoekers gebruikte gegevens geen informatie over snelheid bevatten, ze konden niet vaststellen of de 20 kandidaten die ze niet konden identificeren, nucleair zijn of zware compacte objecten. Echter, op basis van de gegevens waarover zij beschikken, ze denken dat de mogelijkheid dat het zware compacte objecten zijn hoogst onwaarschijnlijk is.

"Bijna alle 20 resterende tracks zijn korter dan 500 pixels (onze CCD is ongeveer 2000x2000 pixels), terwijl voor de nucleairieten, we verwachten een nagenoeg vlakke verdeling over alle mogelijke spoorlengtes, bijna alleen beperkt door het punt van binnenkomst in de atmosfeer en de rand van het gezichtsveld, Piotrowski legde uit. "De kandidaten zijn dus hoogstwaarschijnlijk satellieten of meteoren, met een deel van een spoor in onze camera's dat te kort is om de karakteristieke variabiliteit van helderheid te laten zien."

Op basis van de resultaten die ze tot nu toe hebben verzameld, Piotrowski en zijn collega's gaan ervan uit dat de beelden die ze hebben geanalyseerd geen sporen bevatten van kernwapens of andere zware compacte objecten, daarom wilden ze een limiet stellen aan hun flux op basis van de gegevens waarover ze beschikken. Om dit te doen, ze berekenden het effectieve oppervlak van het volume van de atmosfeer in elk frame, die afhing van de richting waarin een camera wees, de hypothetische massa van nucleairieten en de geschatte efficiëntie van nucleaire detectie met behulp van de specifieke configuratie van de camera.

De efficiëntie van nucleaire detectie werd berekend door representaties van nucleair sporen op echte beelden van de lucht te leggen en het op Hough-transform gebaseerde spoordetectie-algoritme uit te voeren op deze kunstmatige/gesimuleerde gegevens. Omdat nucleairieten nog nooit eerder zijn waargenomen, simulatietools zijn vooral handig om ze te bestuderen en te laten zien hoe ze eruit zouden zien.

uiteindelijk, de onderzoekers veranderden de fluxlimiet op basis van de "scheidingsefficiëntie" (d.w.z. een geschatte waarde die beschrijft hoe goed ze sporen van nucleair materiaal kunnen onderscheiden van lichtsporen geproduceerd door meteoren, satellieten en andere veelvoorkomende objecten). Deze waarde is afgeleid van de lengteverdeling van de 20 tracks die ze tijdens hun zoektocht niet konden identificeren.

"De kromming van onze limietlijn komt van twee factoren, " legde Piotrowski uit. "Ten eerste, hoe lager de nucleaire massa, hoe dimmer het is en hoe lager de gevoeligheid van onze detector. Dit effect domineert de lagere massa's, waar de detectie-efficiëntie erg klein is. Tweede, hoe zwaarder de kerniet, hoe hoger in de atmosfeer het licht kan gaan uitstralen. Dus, het volume van de waargenomen atmosfeer is groter voor zwaardere nucleairieten, waardoor een betere limiet op de flux kan worden ingesteld. Dit domineert de hoogste massa's, waar de detectie-efficiëntie massa-onafhankelijk wordt."

Exotische toestanden van materie die niet direct vanaf de aarde kunnen worden waargenomen, zijn de focus geweest van tal van eerdere onderzoeken. Het onthullen van nieuwe vormen van materie die de atmosfeer doorkruisen, zou belangrijke implicaties hebben voor de studie van de natuurkunde, astrofysica, astronomie en mogelijk ook andere wetenschappelijke gebieden.

De door Piotrowski en zijn collega's vastgestelde grenzen aan de stroom van zware compacte objecten kunnen een belangrijke stap zijn naar een beter begrip van de aard van zware compacte objecten. Bijvoorbeeld, ze zouden als leidraad kunnen dienen voor toekomstige studies die het bestaan ​​van stabiele quarkmaterie in het universum onderzoeken.

"We hebben nu ook een experimentele bevestiging dat zware compacte objecten in het gegeven massabereik de atmosfeer niet in grote aantallen kunnen passeren, " zei Piotrowski. "Dit is een startpunt voor de verificatie van de specifieke modellen voor elk zwaar compact objecttype en zijn mogelijke bron in het universum. Maar er is ook een meer alledaagse reden voor het uitgevoerde onderzoek. Tot nu toe, het lijkt erop dat niemand had gezocht naar zware compacte objecten in het geanalyseerde massabereik; als wetenschappers, we zouden dergelijke terra incognita moeten onderzoeken, omdat vaak, daar ligt iets nieuws op de loer. Het deed het deze keer niet, niet met onze huidige gevoeligheid, maar dit was een eerste stap."

De recente studie van dit team van onderzoekers bewijst ook dat puur astrofysische experimenten van grote waarde kunnen zijn voor de studie van deeltjesfysica. Hoewel astrofysica en deeltjesfysica nauw verwant zijn, in feite, de ideeën van Witten, Rujula en Glashow in 1984 zijn gedurende tientallen jaren grotendeels niet getest of aangepakt door deeltjesfysici.

In de toekomst, het artikel geschreven door Piotrowski en zijn collega's zou andere teams over de hele wereld kunnen inspireren om te zoeken naar nucleair materiaal of andere zware compacte objecten. In de tussentijd, de onderzoekers zijn van plan dit onderwerp ook verder te onderzoeken, om de zoektocht naar ongrijpbare kosmologische objecten verder te verfijnen.

"De verkregen limieten kunnen nu worden gebruikt en aangepast om beperkingen op te leggen aan specifieke soorten zware compacte objecten en hun verspreiding in de melkweg/het universum, ' zei Piotrowski. 'Ten tweede, het is ook belangrijk om de limieten te verbeteren. Dit zal worden gedaan in toekomstige experimenten:experimenten op de grond die zijn bedoeld voor het detecteren van zware compacte objecten, en orbitale die enorme volumes van de atmosfeer observeren."

© 2020 Wetenschap X Netwerk