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宇宙最卡琳说强粒子能谱发现新特征

天文学与空间 2022-04-10 00:01:11

特拉华大学 特拉华大学的研究人员是宇宙射线研究合作的一部分

除了装满水的切伦科夫探测器外,阿根廷的皮埃尔·奥格天文台还有第二种宇宙射线捕捉器——荧光探测器

宇宙射线空气簇射中的带电粒子与大气中的氮相互作用,导致它通过一种叫做荧光的过程发射紫外光,这种过程人眼是看不见的,但这种光学探测器却看不见

学分:特拉华大学 比原子小的粒子以接近光速的速度穿过宇宙,从宇宙的某个地方喷向太空

包括特拉华大学研究人员在内的皮埃尔·奥格天文台的科学合作,以前所未有的精度测量了这些粒子中最强的粒子——超高能宇宙射线

在这样做的过程中,他们发现了能量谱中的一个“纽结”,这让人们对这些亚原子太空旅行者的可能起源有了更多的了解

该小组的发现是基于对215,030个能量高于2的宇宙射线事件的分析

阿根廷皮埃尔·奥格天文台在过去十年中记录的5千亿电子伏

它是世界上最大的研究宇宙射线的天文台

这种新的光谱特征是宇宙射线能量谱中的一个纽结,约为1300万电子伏特,它代表了一个图形上的多个点

UD大学物理和天文系巴托研究所助理教授弗兰克·施罗德在特拉华大学研究基金会的支持下参与了这项研究,他说,这让人类离解决自然界中最高能粒子的奥秘又近了一步

这项研究发表在《物理评论快报》和《物理评论D》上

在这张大流行前的照片中,UD教授弗兰克·施罗德和他的同事们一起在位于阿根廷马拉圭附近的皮埃尔·奥格天文台的一个宇宙射线探测站安装了一个无线电天线

学分:特拉华大学 "自从100年前发现宇宙射线以来,一个长期存在的问题是,是什么加速了这些粒子?"施罗德说

“皮埃尔·奥格合作公司的测量结果提供了重要的线索,说明我们可以排除什么是源头

从以前的工作中,我们知道加速器不在我们的星系中

通过这一最新的分析,我们可以进一步证实我们早期的迹象,即超高能宇宙射线不仅仅是氢的质子,也是来自较重元素的原子核的混合物,并且这种组成随着能量而变化

" 在“脚踝”和“脚趾”之间 参与数据分析的施罗德和UD博士后研究员艾伦·科尔曼已经是皮埃尔·奥格合作组织的成员好几年了

UD于2018年作为机构成员正式加入协作

这个由来自17个国家的400多名科学家组成的团队运营着这座天文台,占地1200平方英里,大约相当于罗德岛的大小

阿根廷马拉圭附近的皮埃尔·奥格天文台的一组宇宙射线探测器站

特拉华大学是运营该天文台的国际合作组织的成员,该组织包括来自17个国家的400多名科学家

学分:特拉华大学 天文台有1600多个被称为水切伦科夫站的探测器,分布在潘帕阿马里利亚(黄色草原)的高平原上,由27台荧光望远镜俯瞰

总的来说,这些仪器测量超高能宇宙射线粒子在大气中释放的能量,并提供对其质量的间接评估

所有这些数据——能量、质量和这些非同寻常的粒子到达的方向——为它们的起源提供了重要线索

以前,科学家们认为这些超高能宇宙射线粒子主要是氢的质子,但最新的分析证实,这些粒子有混合的原子核——有些比氧或氦重,例如硅和铁

在代表宇宙射线能谱的曲线图上,你可以看到科学家称之为“脚踝”的区域和图的起点“脚趾”之间的扭结——一个陡峭平坦的部分

" 在这张大流行前的照片中,UD博士后研究员艾伦·科尔曼站在皮埃尔·奥格天文台的1600个宇宙射线探测站旁边,这些探测站分布在阿马里利亚潘帕1200平方英里的范围内

顶部的波纹金属被称为闪烁体面板,球形无线电天线都是宇宙射线的传感器,而矩形天线用于与天文台的中心建筑通信

学分:特拉华大学 “我们没有具体的名称,”科尔曼说,他是一个20人的团队,编写计算机代码,并进行大量数据分析所需的数据处理

“我想我们已经没有足够的解剖部分来称呼它了,”他开玩笑地说

科尔曼直接参与了这一发现,他改进了粒子级联的重建,以便估算能量,粒子级联是宇宙射线撞击大气层时产生的

他还进行了详细的研究,以确保这个新的拐点是真实的,而不是探测器的产物

数据小组的工作花了两年多时间

“显然,这是非常轻微的,”科尔曼说的光谱扭结

“但每次你看到这样的撞击,都表明物理学正在发生变化,这非常令人兴奋

" 科尔曼说,很难确定进入的宇宙射线的质量

但是这一合作的测量是如此的可靠和精确,以至于其他一些关于超高能宇宙射线来源的理论模型现在可以被消除,而其他的途径可以更有活力地进行研究

科学家推测,活跃的星系核可能是超高能宇宙射线的来源

活动星系核是位于星系中心的超大质量黑洞,其特征是巨大的物质喷流逃脱落入黑洞

这里展示的半人马星座是一个离地球不到2000万光年的银河系的例子

学分:特拉华大学 宇宙射线的通量取决于它们的能量

能量越高,宇宙射线越稀少

然而,较大的数字表明这种关系并不顺利

几个特征表明在不同的能量下发生了一些事情,科学家非正式地称之为“膝盖”、“脚踝”和“脚趾”,以及由皮埃尔·奥格天文台合作测量的“新扭结”

插图详细显示了这种新的测量方法

每一个特征都可以解释为在各自能量下宇宙射线组成的变化

学分:特拉华大学 活动星系核(AGN)和恒星暴增星系现在是潜在的来源

虽然它们的典型距离约为1亿光年,但也有一些候选距离在2000万光年以内

科尔曼说:“如果我们知道了消息的来源,我们就可以了解事情的新细节。”

发生了什么让这些难以置信的高能量?这些粒子可能来自我们甚至不知道的东西

" UD团队正在进行的研究重点是进一步提高超高能宇宙射线的测量精度,并将宇宙射线光谱的精确测量扩展到更低的能量

施罗德说,这将与其他实验产生更好的重叠,例如南极冰立方的宇宙射线测量——特拉华大学主要参与的另一个独特的天体粒子天文台

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