宇宙纽结：宇宙最强大粒子的能谱中发现了新功能

特拉华大学的研究人员是合作研究宇宙射线的一部分。除了充满水的切伦科夫探测器罐外，阿根廷的皮埃尔·奥格天文台还拥有第二种宇宙射线捕集器-荧光探测器。宇宙射线空气喷淋中的带电粒子与大气中的氮相互作用，使其通过称为荧光的过程发出紫外光，这是人眼看不见的，但该光学探测器则不可见。

小于原子的粒子几乎以光速穿过宇宙，从宇宙中某处的某处爆炸进入太空。

皮埃尔·俄格天文台的一次科学合作，包括特拉华大学的研究人员，以前所未有的精度测量了这些粒子中最强大的粒子-超高能宇宙射线。通过这样做，他们发现了能谱中的一个“纽结”，它向这些亚原子太空旅行者的可能起源发出了更多的光。

研究小组的发现基于对过去十年中阿根廷皮埃尔·奥格天文台记录的能量超过2.5兆电子伏特（eV）的215,030条宇宙射线事件的分析。它是世界上最大的研究宇宙射线的天文台。

新的光谱特征是宇宙射线能谱中约13亿亿电子伏特的扭结，它所代表的点超过了曲线图上绘制的点。UD物理与天文学系Bartol研究所助理教授Frank Schroeder表示，这使人类更接近解决自然界中最高能粒子的奥秘，他在大学的支持下参与了这项研究特拉华研究基金会。该研究发表在《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（Frank Schroeder）与同事合作，在位于阿根廷马拉加（Malargüe）附近的皮埃尔·奥格（Pierre Auger）天文台的一个宇宙射线探测器台上安装了无线电天线。

“自从100年前发现了宇宙射线以来，长期以来一直存在的问题是，如何加速这些粒子？”施罗德说。“皮埃尔·奥格（Pierre Auger）协作组织的度量标准为我们可以排除哪些来源提供了重要提示。从以前的工作中，我们知道加速器不在我们的银河系中。通过最新的分析，我们可以进一步证实我们先前的迹象，即超高能宇宙射线不仅是氢的质子，而且是来自较重元素的核的混合物，并且该组成随能量而变化。”

在“脚踝”和“脚趾”之间

Schroeder和UD博士后研究员Alan Coleman为Pierre Auger协作开展了多年的研究，他为数据分析做出了贡献。UD于2018年以机构成员身份正式加入合作。这个由来自17个国家/地区的400多名科学家组成的小组经营着这个天文台，该天文台的面积约为1200平方英里，大约是罗德岛州的大小。

阿根廷Malargüe附近的Pierre Auger天文台的一系列宇宙射线探测站。特拉华大学是该天文台国际合作的成员，该天文台包括来自17个国家/地区的400多名科学家。

该天文台有1600多个探测器，称为水切伦科夫站，分布在潘帕阿马里拉（黄色草原）的高平原上，被27台荧光望远镜所忽略。这些仪器共同测量超高能宇宙射线粒子在大气中释放的能量，并间接评估其质量。所有这些数据-能量，质量以及这些非凡粒子到达的方向-都提供了有关其起源的重要线索。

在这张大流行前的照片中，UD博士后研究员Alan Coleman站在Pierre Auger天文台的1600个宇宙射线探测站之一，这些探测站分布在1200平方英里的Pampa Amarilla中。顶部的波纹金属板（称为闪烁体面板）和球形无线电天线都是用于宇宙射线的传感器，而矩形天线则用于与天文台的中央建筑物进行通信。

以前，科学家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，这些粒子具有核的混合物-比氧或氦重，例如硅和铁。

在代表宇宙射线能谱的曲线图上绘制，您可以看到科学家称为“脚踝”的区域与图的起点（称为“脚趾”）之间的扭结（一个陡峭，平坦的部分）。 。

“我们没有一个具体的名字，”科尔曼说。他是20人团队的成员，他编写了计算机代码，并对大量数据进行了必要的数字运算。他开玩笑说：“我想我们已经用尽了部分解剖结构来称呼它。”

直接与该发现有关的是，科尔曼改进了粒子级联的重建，该粒子级联是在撞击大气时产生的宇宙射线，以便估算能量。他还进行了详细的研究，以确保这个新的拐点是真实的，而不是检测器的伪影。数据组的工作花了两年多的时间。

科尔曼谈到光谱扭曲时说：“显然，它很小。”“但是每当您看到这样的颠簸时，就表明物理学正在发生变化，这非常令人兴奋。”

科尔曼说，很难确定入射的宇宙射线的质量。但是，这项合作的测量是如此稳健而精确，以至于现在可以消除许多其他有关超高能宇宙射线来自何处的理论模型，而其他途径则可以更加有力地探索。

科学家推测，活跃的银河核可能是超高能宇宙射线的来源。活跃的银河系核是位于银河系中心的超大质量黑洞，其特征是巨大的物质射流逃逸而掉入黑洞。如图所示，半人马座A是距我们地球不到2000万光年的银河系中此类星系的一个例子。

活跃的星系核（AGN）和星爆星系目前正在作为潜在来源。尽管它们的典型距离约为1亿光年，但有一些候选者位于2000万光年以内。

科尔曼说：“如果我们了解了消息来源是什么，我们可以调查正在发生的事情的新细节。”发生了什么事，这些高能量的能量来了？这些粒子可能来自我们什至不知道的事物。

UD团队正在进行的研究着重于进一步提高超高能宇宙射线的测量精度，并将对宇宙射线光谱的精确测量扩展到更低的能量。施罗德说，这将与其他实验更好地重叠，例如南极IceCube的宇宙射线测量，这是特拉华大学的另一项独特的天体粒子观测站。

参考：

A. Aab等人的“使用Pierre Auger天文台×得出的2.51018eV以上的宇宙射线能谱的特征”。（Pierre Auger合作），2020年9月16日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.121106

A. Aab等人“使用Pierre Auger×天文台测量2.51018eV以上的宇宙射线能谱”。（Pierre Auger合作），2020年9月16日，D.DOI物理评论：
10.1103 / PhysRevD.102.062005

Tracey Bryant的文章，以及Pierre Auger Collaboration的其他材料。

图片积分：弗兰克·施罗德（Frank Schroeder），艾伦·科尔曼（Alan Coleman），美国宇航局，史蒂芬·萨菲（Steven Saffi）和ESO / WFI