Znaleziono nową cechę w widmie energii promieni kosmicznych ultra-wysokich energii
26 października 2020
Zbiorcze widmo promieni kosmicznych najwyższych energii przeskalowane przez E3, wyznaczone w Obserwatorium Pierre Auger. Dane zostały porównane z reprezentatywnym modelem źródeł, ilustrując korelację pomiędzy energią nowego szczegółu widma a składem masowym cząstek zależnym od energii.
Widmo energii cząstek o najwyższych energiach we Wszechświecie – promieni kosmicznych o ultra-wysokich energiach – zostało zmierzone w Obserwatorium Pierre Auger z bezprecedensową precyzją. Oprócz dobrze znanego załamania w widmie energii, zwykle określanego jako „kostka” (ang. „ankle”), znalezione zostało nowe załamanie przy nieco wyższej energii. To nowe załamanie można wyjaśnić jako efekt zmiennego składu promieni kosmicznych, zależnego od energii. Wyniki te zostały opublikowane w dwóch powiązanych ze sobą artykułach (Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020) i Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)).
To wyznaczenie widma energii jest unikalne pod względem bezprecedensowej ekspozycji detektorów (ponad 60 000 km2 sr yr) oraz metody wyznaczenia widma, wolnej od założeń dotyczących składu promieni kosmicznych i szczegółów oddziaływań jądrowych w wielkich pękach atmosferycznych.
Promienie kosmiczne ultra-wysokich energii (UHECR) są cząstkami, które osiągają energie aż do 1020 eV, są więc cząstkami o najwyższych energiach, jakie znamy we Wszechświecie. Aby osiągnąć takie energie przy użyciu obecnie dostępnej technologii, trzeba by przeskalować akcelerator LHC do rozmiarów orbity Merkurego. Strumień takich cząstek jest skrajnie mały: na powierzchnię 1 km2 pada mniej niż jedna cząstka na stulecie. Od wielu lat trwają usiłowania zidentyfikowania źródeł tych cząstek, a także procesów, które nadają im tak wyjątkowe energie.
Współpraca Pierre Auger, czyli grupa około 400 naukowców z 17 krajów z całego świata, obsługuje największe na świecie obserwatorium promieni kosmicznych: detektor hybrydowy złożony z ponad 1600 stacji powierzchniowych (wodnych liczników czerenkowskich) pokrywających powierzchnię 3000 km2 oraz 27 teleskopów fluorescencyjnych. Użyte łącznie, instrumenty te zapewniają kalorymetryczne pomiary energii kaskad cząstek wtórnych wywoływanych w atmosferze przez pierwotne wysokoenergetyczne promienie kosmiczne. Pozwalają również na pośrednie oszacowanie mas tych cząstek pierwotnych. Łącząc informacje o widmie energii, składzie masowym i obserwowanym rozkładzie kierunków przylotu cząstek pierwotnych, można uzyskać ważne ograniczenia na możliwe źródła tych niezwykłych cząstek.
Analizując dużą statystykę danych zgromadzonych do tej pory przez Obserwatorium Pierre Auger, wyznaczono widmo promieni kosmicznych. Dzięki wyjątkowo dużej precyzji pomiaru zidentyfikowano nową cechę widma, mianowicie załamanie w widmie potęgowym przy energii około 1,3∙1019 eV. Wyniki zostały ogłoszone w dwu niedawnych publikacjach Współpracy Pierre Auger (Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020) i Phys. Rev. D 102, 062005 (2020). Są one zilustrowane na Rys. 1, który pokazuje możliwą interpretację danych o widmie i składzie promieni kosmicznych w scenariuszu, w którym źródła wysyłają cząstki, których skład masowy zmienia się z energią. Pokazany przykład reprezentuje szczególną klasę modeli, w których przyśpieszanie cząstek zależy tylko od ich sztywności magnetycznej (energii podzielonej przez ładunek). Skład promieni kosmicznych wydaje się być zdominowany przez jądra o pośrednich masach, emitowanych ze źródeł z bardzo twardym widmem energii, które jest modyfikowane przez efekty propagacji. W takim modelu nowe załamanie widma pojawiałoby się w naturalny sposób wskutek zmiany składu promieni kosmicznych w zakresie energii tego załamania.
Obserwowane widmo energii wyznacza też gęstość energii promieni kosmicznych emitowanych w przestrzeń międzygalaktyczną przez źródła emitujące w sposób ciągły. Co ciekawe - oczekuje się, że niektóre klasy aktywnych jąder galaktyk i galaktyk gwiazdotwórczych (dla których różne analizy Współpracy Pierre Auger wskazują na anizotropię promieni kosmicznych) powinny emitować energię w tym właśnie tempie. Jest to intrygujący krok naprzód w poszukiwaniu źródeł promieni kosmicznych ultra-wysokich energii.
Obserwatorium Pierre Auger obecnie jest w trakcie dużej modernizacji poprzez dodanie detektorów scyntylacyjnych i anten radiowych do istniejących stacji wodnych liczników czerenkowskich. Pozwoli to na uzyskanie dokładniejszych informacji o składzie masowym promieni kosmicznych i na rozciągnięcie widma mas do wyższych energii. Ewentualna obecność lekkich jąder przy najwyższych energiach otworzyłaby możliwości poszukiwania źródeł wspomaganego informacją o składzie promieni kosmicznych, a także badania kosmicznych pól magnetycznych.
IFJ PAN aktywnie uczestniczy w pracach Obserwatorium Pierre Auger, zarówno na etapie budowy Obserwatorium w latach 2000-2008, jak też w akwizycji i analizie danych. W szczególności, centralnym tematem naszych dotychczasowych analiz było polepszenie dokładności wyznaczania energii wielkich pęków atmosferycznych w detektorze fluorescencyjnym. Nasze ulepszenia analizy danych dotyczące m. in. rozkładu światła w obrazie optycznym wielkiego pęku, wpływu atmosfery na propagację światła i rekonstrukcji pęku w detektorze, znacząco przyczyniły się do wyznaczenia prezentowanego tu widma energii promieni kosmicznych.
Obecnie IFJ PAN jest zaangażowany w modernizację Obserwatorium. W ścisłej współpracy międzynarodowej w IFJ PAN zmontowano i przetestowano 228 modułów detektorów scyntylacyjnych. Detektory te wydatnie poprawią dokładność wyznaczania składu promieni kosmicznych o ultra-wysokich energiach.
Kontakt:
Prof. dr hab. Henryk Wilczyński
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
Tel. +48 12 662 8334
email: henryk.wilczynski@ifj.edu.pl
Dr hab. Dariusz Góra
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
Tel. +48 12 662 8406
email: dariusz.gora@ifj.edu.pl
Publikacje naukowe:
„Features of the Energy Spectrum of Cosmic Rays above 2.5 × 1018 eV using the Pierre Auger Observatory”
Pierre Auger Collaboration;
Physical Review Letters 125, 121106 (2020)
„Measurement of the cosmic-ray energy spectrum above 2.5 × 1018 eV using the Pierre Auger Observatory”
Pierre Auger Collaboration;
Physical Review D 102, 062005 (2020)
Materiały graficzne:
Zbiorcze widmo promieni kosmicznych najwyższych energii przeskalowane przez E3, wyznaczone w Obserwatorium Pierre Auger. Dane zostały porównane z reprezentatywnym modelem źródeł, ilustrując korelację pomiędzy energią nowego szczegółu widma a składem masowym cząstek zależnym od energii.