作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 天空探测器的四个圆周率照相机
信用:Marcin Sokosowski
奇异电子，特别是原子核，它们的重物种，是非常致密、紧凑和潜在快速的物体，由大量大致相等数量的上夸克、下夸克和奇异夸克组成，它们可能存在于宇宙中
早在1984年，爱德华·威滕就首次假设了它们的存在
这些物体以前从未被探测到，到目前为止吸引的注意力不如流星多，也许是因为它们与粒子物理没有关联
1984年底，理论物理学家阿尔瓦罗·德·鲁珠拉和谢尔登·格拉肖提出了这样一个观点，即当穿越地球大气层时，原子核产生光的方式类似于流星，在这个过程中损失的能量很少
如果他们的预测是正确的，在流星观测站工作的团队应该能够确认这些物体是否存在
然而，迄今为止，很少有研究人员对这种可能性进行过研究
根植于粒子物理学的一种不同的宇宙现象，被称为超高能宇宙射线，与原子核有一些相同的理论特征
事实上，这些宇宙射线也在大气中产生光迹，尽管它们是通过不同的物理过程产生的
此外，它们比原子核运动得快得多，通常在紫外波段观察到
与核子不同，超高能宇宙射线以前被探测过
然而，它们是非常罕见的现象，最高能量的通量低于每100年每平方公里1个粒子
为了探测它们，科学家们因此需要使用大型探测器来监测大量的大气，这最终也可能导致对核子的探测
日本RIKEN、波兰国家核研究中心、CNRS艾克斯马赛大学、波兰科学院和华沙大学的研究人员最近根据“天空之Pi”探测器收集的照片数据，在西班牙休尔瓦附近的马扎贡的INTA·埃尔·阿雷诺西洛试验中心和智利的拉斯坎帕纳斯天文台进行了一项寻找核物质和其他重致密物体的研究
他们的论文、期刊
辅助电能（Accessory Power Supply的缩写）
org/PRL/abstract/& hellip；ysRevLett
125
091101 " >发表在《物理评论快报》上，提出了一系列限制，可以指导未来在宇宙中寻找重致密物体
“当我加入JEM-EUSO合作项目时，我偶然想到了用照相机观察原子核的想法，该项目旨在建立一个轨道紫外望远镜来监测地球的大气层，主要寻找宇宙射线，但也包括原子核、流星和其他现象，”开展这项研究的研究人员之一莱赫·维科特·皮奥特罗夫斯基告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“与地面观测站相比，从轨道上可以看到更大体积的大气层，因此被探测到的机会增加了一个数量级
" 皮奥特罗夫斯基和他的同事们最近的研究的主要目的是发现原子核或其他穿过大气层的重致密物体，这些都是由天空探测器的π所拍摄的照片，或者至少对它们的通量设置限制，如果他们的研究没有产生积极的结果的话
虽然JEM-EUSO合作开发的最后一台紫外望远镜可以帮助研究许多宇宙现象，但研究人员尚未开始使用它来收集观测数据(尽管目前正在分析来自较小前兆实验的数据)
在他们最近的研究中，他们因此决定使用作为天空圆周率实验的一部分收集的可用地面数据
原子核穿越大气层时会发光的预测是基于对其密度和潜在速度的估计
这一特性因此可以被其他不同性质的宇宙物体所共享
自从1984年德·鲁朱拉和格拉肖介绍他们的理论以来，被假设在地球大气层中留下光迹的物体的数量大幅增加，还包括与粒子物理领域没有直接关系的物体，如小的原始黑洞
虽然他们对原子核的研究没有结果，但这使得皮奥特罗夫斯基和他的同事们设定了一系列限制，可以缩小未来对原子核和宇宙中其他重致密物体的研究范围
天空探测器的四个圆周率照相机
探测器
信用:Marcin Sokosowski
皮奥特罗夫斯基说:“在高中，读了一篇关于假设的‘奇异粒子’及其如何毁灭世界的流行文章，让我相信我应该成为一名粒子物理学家。”
“我已经变成了一个，但是在这个过程中，我开始认为我永远不会和那些奇异的东西有任何关系
然后，几年后，由于我作为JEM和EUSO合作的一部分所做的工作，我发现有了我以前的天空观测实验圆周率的档案数据，我可以对奇异电子这个话题做出一些实质性的贡献
这篇论文就是这样诞生的
" 皮奥特罗夫斯基和他的同事进行的这项研究背后的核心思想相当简单
当一个人在晚上仰望天空时，理论上他/她应该能够看到原子核和其他重致密物体的轨迹，就像他/她看到流星或卫星留下的轨迹一样
然而，原子核和其他重致密物体留下的轨迹应该略有不同
一颗晶核应该能够穿过整个大气层，因此它留下的光迹会很长，并发出恒定的亮度，该亮度仅根据与观察者的物理距离而变化
研究人员在作为天空圆周率实验的一部分拍摄的照片中寻找这些长长的轨迹
皮奥特罗夫斯基解释说:“看到这样一条轨道将为我们提供一个候选者，而缺乏任何探测将使我们能够限制核物质和其他重致密物体的流量。”
“这包括计算天空观测的总时间和观测到的天空体积的有效表面，这取决于探测器的指向，以及假设物体来自所有可能的方向，来自一个单一的方向或来自某些特定的方向配置
最后，限制需要包括探测器的探测效率(可以通过模拟获得)，以及我们能够在多大程度上区分感兴趣的物体和其他轨道(例如来自流星和卫星的轨道)的信息
" 天空探测器的圆周率使用装有商业摄影镜头的电荷耦合器件照相机拍摄天空图像，没有任何过滤器
因此，它可以收集大致反映人类观察者仰望天空时所看到的图像
探测器的曝光持续大约10秒钟，它的相机跟踪恒星的运动
因此，它也可以用来收集夜间大气体积变化的信息
皮奥特罗夫斯基说:“在‘天空的圆周率’实验中，我们没有预见到任何与轨道相关的研究，而是对恒星和类恒星瞬态进行了自动分析，之后大部分原始数据都被丢弃了。”
“幸运的是，剩余的原始数据跨越数年时间和摄像机，用于我们论文中的分析
" 研究人员分析了天空探测器Pi收集的所有原始帧，由于质量差，大约50%的原始帧被丢弃
随后，他们在剩余的高质量帧(包括1766帧)中搜索轨迹图像
05小时的观测值，由一台20×20度的等效照相机收集
他们的搜索是使用一种基于霍夫变换的算法进行的，这种算法是专门为识别图像中的轨迹而设计的
皮奥特罗夫斯基说:“我们在数据中识别出了近36000条轨道，其中大部分被自动归类为流星或卫星，主要是基于它们亮度的可变性(原子核的亮度应该几乎是恒定的)，其余的被手动过滤掉，剩下29条候选轨道。”
“其中9个是在卫星目录中找到的，剩下20个候选者
在未来的专门实验中，这些候选者可以根据它们的速度进一步分类，这些速度不能从分析的10秒曝光中得出
" 由于研究人员使用的数据不包括任何与速度相关的信息，他们无法确定他们无法识别的20个候选物体是否实际上是原子核或重致密物体
然而，根据他们所能获得的数据，他们认为它们成为沉重致密物体的可能性极小
天空探测器的圆周率
信用:亚历山大菲利普żarnecki
皮奥特罗夫斯基解释说:“几乎所有剩余的20条轨道都短于500像素(我们的电荷耦合器件约为2000×2000像素)，而对于原子核，我们预计在所有可能的轨道长度上都有一个几乎平坦的分布，几乎只受到进入大气层的点和视场边缘的限制。”
“因此，候选物体很可能是卫星或流星，我们相机中的一部分轨迹太短，无法显示亮度的特征变化
" 根据他们目前收集到的结果，皮奥特罗夫斯基和他的同事们假设他们分析的图像不包含任何核物质或其他重致密物体的痕迹，因此他们开始根据他们获得的数据来限制它们的流量
为了做到这一点，他们计算了每一帧中包含的大气体积的有效表面，这取决于摄像机指向的方向、假设的核物质质量以及使用摄像机特定配置的核物质检测的估计效率
通过将核晶轨迹的表示叠加在真实的天空图像上，并在该人工/模拟数据上运行基于H-变换的轨迹检测算法，来计算核晶检测的效率
由于以前从未观察到原子核，模拟工具对研究它们和展示它们的样子特别有用
最终，研究人员基于“分离效率”改变了通量极限(即
e
这是一个估计值，描述了他们能够很好地区分核石轨迹与流星、卫星和其他常见观测物体产生的光轨迹)
这个值来自于他们在搜索过程中无法识别的20个轨迹的长度分布
“我们极限线的曲率来自两个因素，”皮奥特罗夫斯基解释说
“首先，晶核质量越低，越暗，探测器的灵敏度越低
这种效应在探测效率非常低的较低质量中占主导地位
第二，核物质越重，它在大气中就越能发光
因此，对于较重的核物质来说，观测到的大气体积更大，从而可以更好地限制通量
这主导了最高质量，其中检测效率变得与质量无关
" 无法从地球上直接观察到的奇异物质状态一直是过去众多研究的焦点
揭示穿过大气层的物质的新形式将对物理学、天体物理学、天文学以及潜在的其他科学领域的研究产生重要影响
皮奥特罗夫斯基和他的同事们对重致密物体通量的限制可能是更好地理解重致密物体本质的重要一步
例如，它们可以指导未来研究宇宙中稳定夸克物质的存在
皮奥特罗夫斯基说:“我们现在也有一个实验证明，在给定的质量范围内，重的致密物体不能大量穿过大气层。”
“这是一个起点，用于验证每种重型紧凑物体类型的具体模型及其在宇宙中的可能来源
但是这项研究还有一个更普通的原因
到目前为止，似乎还没有人在分析的质量范围内寻找过重的致密物体；作为科学家，我们应该探索这样的未知领域，因为那里经常潜伏着新的东西
这一次没有，以我们目前的敏感度来看没有，但这是第一步
" 这组研究人员最近进行的研究还证明，纯粹的天体物理实验对粒子物理的研究可能有很大的价值
虽然天体物理学和粒子物理学密切相关，但事实上，几十年来，由威滕、鲁珠拉和格拉肖在1984年提出的想法在很大程度上仍未经过粒子物理学家的检验或处理
将来，皮奥特罗夫斯基和他的同事们撰写的论文可能会激励世界各地的其他团队去寻找原子核或其他重的致密物体
与此同时，研究人员计划继续探索这个话题，以进一步缩小对难以捉摸的宇宙物体的搜索范围
皮奥特罗夫斯基说:“所获得的极限现在可以被用来对特定类型的重致密物体及其在星系/宇宙中的分布进行限制。”
“其次，提高限制也很重要
这将在未来的实验中完成:地面实验用于探测重的致密物体，轨道实验用于观察大量的大气
"
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