Registro de velocidad de ruptura de partículas espaciales

En la noche del 15 de octubre de 1991, una partícula llamada Oh-My-God atravesó el cielo sobre Utah .

Esta era radiación cósmica, que contenía 320 voltios de exelectrones (10 ¹⁸ eV) de energía, un millón de veces más de lo que las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones pueden alcanzar. La partícula tenía tal velocidad que, si compitiera con la luz, sería 1/1000 del grosor del cabello detrás de ella en un año. Tiene tanta energía como si se le cayera una bola de boliche en el dedo; solo en una bola de boliche hay tantos átomos como estrellas en el cielo. "Nadie esperaba que tanta energía pudiera ser empujada en una partícula", dijo David Kieda, astrofísico de la Universidad de Utah.

A cinco millas del lugar donde cayó la partícula, en la cima de una montaña desierta en el viejo remolque vivían ratas y trabajaban como investigador. Poco antes del evento, al atardecer, Mengzhi Luo, apodado "Stephen", encendió las computadoras del detector Fly's Eye. Este es un conjunto de una docena de espejos esféricos ubicados en suelo desnudo. Cada espejo se fijó dentro de una "lata" hecha de una tubería de alcantarillado y miró hacia abajo durante el día para que sus sensores sensibles no sufrieran radiación solar. Con el inicio de la oscuridad, en una noche clara y sin luna, Luo giró las latas hacia el cielo.

"El experimento todavía estaba crudo", dice Kieda, quien trabajó con Eye of the Fly junto con Luo y otros científicos. "Pero lo principal es que funcionó".


Ojo de la mosca

Eye of the Fly trabajó en un campo de entrenamiento militar en el desierto en el oeste de Utah de 1981 a 1993. Fue el primero en utilizar la tecnología de "fluorescencia del aire" para determinar las energías y direcciones de los rayos cósmicos de alta energía, que utilizaban la luz emitida por las moléculas de nitrógeno para el paso de los rayos a través de la atmósfera. En 1991, el Ojo de la mosca descubrió un rayo cósmico, que hasta el día de hoy se considera la partícula de mayor energía detectada.

El rastro levemente luminoso de la partícula Oh-My-God ("Adorado", como lo llamó el fundador de Autodesk John Walker en uno de sus primeros artículos en la web) se vio entre los Ojos de una mosca el próximo verano. Los mensajes sobre él aparecieron solo un año después, después de que un grupo de científicos pudo convencerse de su realidad. La partícula rompió el récord de velocidad que lo había golpeado durante varias décadas. Antes de esto, fue instalado por una partícula que fue descubierta por Kenneth Greisen, Georgy Zatsepin y Vadim Kuzmin - 60 EeV. Creían que cualquier partícula de mayor energía la perderá en interacciones con la radiación de fondo del universo. Este principio de pérdida de energía, que se llamó la "pérdida del GZK", sugiere que una partícula de "Adorable" voló hacia nosotros desde un objeto cercano, tal vez desde nuestro supercúmulo galáctico.Pero para obtenerlo se requeriría un acelerador espacial de proporciones inimaginables. Y en la dirección desde la que voló, los científicos no pudieron encontrar nada adecuado.

"Como si tuvieras un gorila invisible en tu jardín que te lanza bolas de boliche", dijo Kieda.

¿De dónde vino la partícula "Adorable"? ¿Cómo apareció ella? ¿Y ella era? Estas preguntas llevaron a los científicos a construir detectores más sofisticados, que desde entonces han registrado cientos de miles de rayos cósmicos de ultra alta energía de más de 1 EeV, incluidos varios cientos de eventos ultra-GZK con partículas que tienen energías de más de 60 EeV (sin embargo, ninguno de ellos alcanzó 320 EeV).

Las partículas que batieron el récord de GZK podrían tener un vistazo a esa área de la física que de otro modo sería inaccesible, tal vez incluso conectando la física cuántica con la evolución del espacio. O, al menos, descubre sorprendentes objetos astrofísicos que hasta entonces solo parecían puntos en las lentes del telescopio. Pero con el tiempo, la investigación solo generó más confusión. "Es difícil explicar los hallazgos, relacionarlos con cualquiera de las teorías existentes", dice Paul Sommers, astrofísico de la Universidad Estatal de Pensilvania, especializado en rayos cósmicos de ultra alta energía. "Hay problemas con cualquier hipótesis".


Gráfico logarítmico de las fluctuaciones de los rayos cósmicos como funciones de la energía. La línea tiene dos curvas, que se denominaron “rodilla” y “tobillo” del espectro.

Recientemente, los investigadores, al descubrir un "punto caliente" en el cielo, al atrapar varias partículas de alta energía, los científicos pudieron seguir el camino de la comprensión de los rayos cósmicos de alta energía.

Problemas de tobillo

Cada segundo, cada metro cuadrado de tierra es atravesado por miles de rayos cósmicos. Y nadie los descubrió hasta que el físico austríaco Victor Hess se levantó en un globo en 1910. Aprendió que la cantidad de radiación ionizante aumenta con la altura. Tomó medidas durante un eclipse solar y descubrió que la mayor parte de la radiación nos llega independientemente del Sol. Por esto, en 1936 recibió el Premio Nobel.

Los rayos cósmicos penetran nuestro planeta desde todos los lados y tienen una distribución suave de energías. Al nivel del mar, experimentamos radiación de bajo nivel, que se deriva de la interacción de los rayos con nuestra atmósfera. La mayoría de los rayos son protones individuales, la mayoría de los rayos restantes son núcleos más pesados, y varios de ellos son electrones. Los rayos con más energía son menos comunes. Los más raros, que tienen una energía de más de 1 EeV, caen en un kilómetro cuadrado del planeta solo una vez cada cien años.

Si graficamos el número de rayos que pasan a través de los detectores de acuerdo con su energía, obtenemos una línea con una pendiente negativa y dos curvas: la “rodilla” y el “tobillo”. Estos excesos, en teoría, muestran una transición entre rayos de una naturaleza diferente, o rayos de fuentes de energía más poderosas. Pero, ¿cuáles son estos tipos y qué fuentes?

Como muchos expertos, Karl-Hayens Kampert, profesor de astrofísica de la Universidad de Wuppertal en Alemania y representante del observatorio. Pierre Auger, el detector de rayos de energía ultra alta más grande del mundo, cree que los rayos cósmicos son acelerados por fenómenos similares a los estallidos cuando el avión cambia a velocidad supersónica. La “aceleración de choque” es “un proceso fundamental que ocurre a diferentes escalas en el universo”, dice Campert. Desde erupciones solares hasta explosiones de estrellas, desde púlsares que giran rápidamente hasta radiaciones que emanan de los núcleos activos de las galaxias.. Todo esto es el resultado del movimiento de plasma supersónico, que conduce a la aparición de una onda de choque, que forma una capa superficial de protones y otras partículas. Las partículas saltan dentro de la onda y se reflejan desde sus bordes, atrapadas entre el campo magnético del plasma y el vacío del espacio vacío. Y con cada salto, la partícula gana energía. "Entonces ella estalla", dice Campert, "y se mueve a través del universo para ser atrapada por el sensor".

Pero los intentos de comparar diferentes ondas de explosión con el espectro de energía de rayos cósmicos recibidos ponen a los astrofísicos en una posición difícil. Uno esperaría que la "rodilla" y el "tobillo" marquen los puntos más altos en los que los protones y los núcleos pueden ser energizados dentro de las ondas de explosión. Los cálculos muestran que los protones alcanzan el límite en el punto de 0.001 EeV, y de hecho, esto coincide con el gráfico. Los núcleos más pesados ​​deberían alcanzar energías del orden de 0.1 EeV, y luego dar paso a rayos más potentes provenientes de fuentes fuera de la galaxia que no se pueden encontrar en nuestra Vía Láctea, y que pueden ser del tamaño de una galaxia. Sin embargo, el "tobillo" obtenido en las mediciones está en la región de 5 EeV, un orden de magnitud mayor que el máximo teórico para los rayos cósmicos galácticos. Nadie sabe por qué esto es así.

Después del tobillo, a aproximadamente 60 EeV, la línea comienza a ir a cero, dibujando algo así como un dedo del pie. Este es probablemente el límite GZK, más allá del cual los rayos cósmicos pierden energía rápidamente cuando interactúan con la radiación de fondo. La existencia de este límite, que Campert llama la "única predicción clara" sobre los rayos cósmicos, fue confirmada por el detector después del Ojo de la mosca llamado Ojo de mosca de alta resolución, HiRes. Desde esta posición, el espectro de energía disminuye a una delgada corriente de partículas súper GZK, y termina a 320 EeV con un punto: "Adorable".

La presencia del límite GZK sugiere que las leyes de la física funcionan como se esperaba. Las partículas que han superado este límite no los refutan, sino que simplemente se acercaron y la radiación de fondo no logró quitarles su energía. ¿Pero de dónde vinieron y cómo? Durante 20 años, parecía que las partículas provenían de todas partes y de la nada. Pero al final, se descubrió un "punto caliente" en el hemisferio norte.

Más cálido

En Utah, una unidad de tres horas desde el primer "Eyes of the Fly" es su último descendiente: un conjunto de detectores de 762 kilómetros cuadrados. llamado la matriz de telescopios. El experimento ha seguido el paso de miles de millones de partículas cósmicas desde 2008. "Hemos estado observando un aumento en la importancia estadística del punto caliente a lo largo de los años", dijo Gordon Thomson, profesor de física y astronomía en la Universidad de Utah y portavoz de TA.


De los 87 rayos cósmicos que cruzaron la barra a 57 EeV, el 27% provino del 6% del área de la esfera celeste

El punto caliente de los rayos trans-GZK con un centro en la constelación de la Osa Mayor inicialmente no fue de interés. Pero durante el año pasado, ha alcanzado una significación estadística de 4 sigma, es decir, la probabilidad de que sea real es del 99,994%. Thomson y el equipo deben alcanzar un valor de 5 sigma para anunciar oficialmente el descubrimiento (esperan que esto suceda en junio).

"Es emocionante", dice Linden. Los datos adicionales los ayudarán a determinar la ubicación del punto caliente (ahora está borroso debido a la desviación de los rayos cósmicos en la galaxia y en el campo magnético de la Tierra). El gorila invisible pronto se materializará.

Mientras tanto, algunas de las partículas de interés se acumulan en los sensores IceCube, un kilómetro cúbico de hielo almacenado debajo del Polo Sur. Durante 4 años, IceCube ha rastreado raros rastros de neutrinos que apenas interactúan con la materia pero se encuentran en abundancia en todo el universo.

A veces, los neutrinos interactúan con los átomos que pasan a través de un IceCube, y se puede detectar la radiación que se produce durante este proceso. Su dirección de movimiento dibuja un nuevo mapa cósmico, que se puede comparar con mapas de rayos y luz de alta energía. En 2013, los investigadores de IceCube anunciaron la observación del primer par de neutrinos de alta energía con una energía de 0.001 EeV, que llamaron "Bert" y "Ernie". Podrían venir de donde provienen los rayos cósmicos de alta energía. Los neutrinos tienen una ventaja sobre otros rayos: no tienen carga, por lo que siempre vuelan en línea recta.


Observatorio de neutrinos IceCube

De los 54 neutrinos de muy alta energía que se descubrieron durante la operación de IceCube, cuatro volaron desde el área "caliente". Tal como lo llamó Linden, "un indicio de correlación": dado que los neutrinos viajan más rápido que los rayos cósmicos, su fuente común podría emitir nuestras partículas energéticas durante muchos años. Los científicos han descartado fuentes a corto plazo como explosiones de rayos gamma y están considerando procesos de mayor duración, por ejemplo, una galaxia con estrellas nacientes y un agujero negro supermasivo en el centro. "En los próximos años, atraparemos más neutrinos y comprobaremos la correlación", dice Linden.

Junto con la radiación cósmica y los neutrinos, los científicos también estudian la radiación gamma. Están siendo estudiados por los proyectos HESS (Sistema estereoscópico de alta energía) en Namibia y VERITAS (Sistema de matriz de telescopio de imágenes de radiación muy energética) en Arizona, donde está trabajando el mismo Kieda que solía participar en el proyecto Eye of the Fly. La combinación de tres fenómenos debería ayudar a detectar y aclarar la imagen de los aceleradores de partículas más potentes del universo.

Thomson está listo para apostar a que serán cadenas de galaxias y materia oscura llamadas " filamentos galácticos ", las estructuras más grandes del Universo, con cientos de millones de años luz de longitud. Él dice que los científicos tienen varios "lugares interesantes" para estudiar que solo necesita para recopilar más datos.

Vaciar la piscina

Campert desde el observatorio. Pierre Auger aborda el tema de las partículas de alta energía por otro lado. Él pregunta: "¿Cómo son?"


Victor Hess descubrió la radiación cósmica, que se eleva en un globo.

Algunos astrofísicos consideran que el Observatorio Auger es "desafortunado". Ocupa 3.000 kilómetros cuadrados. En los campos de Argentina, recopila muchos más datos que la matriz de telescopios, pero no puede detectar ningún "punto caliente" en el hemisferio sur. Ella reunió evidencia de una pequeña cantidad de rayos trans-GZK en la dirección del núcleo de la galaxia Alpha Centauri. Pero tal vez ella todavía no podrá recopilar suficientes datos para apuntar al punto caliente con confianza. Es posible que la falta de datos sea un misterio interesante en sí mismo.

"Tenemos muchos datos y no vemos nada de eso", dice Sommers, quien ayudó a diseñar y organizar el Observatorio Auger. - Esto es simplemente asombroso. En los años 80, apostaría mucho dinero al hecho de que con tales estadísticas obtenemos puntos críticos y patrones claros. Esto es sorprendente ".

Además, el gráfico en la región de núcleos más pesados ​​al final del espectro de rayos cósmicos puede servir como pista. Así como las supernovas aceleran los protones no más allá de las "rodillas" del espectro, y más allá de este límite, solo los núcleos más pesados ​​pueden acelerar; así es como se comportan los aceleradores más poderosos del universo. Los científicos pueden estar observando el extremo real del espectro de rayos cósmicos: los puntos donde los protones, y luego el helio, el carbono y el hierro, alcanzan su máximo.

Hasta el día de hoy, los teóricos están tratando de imaginar cómo los candidatos a aceleradores aceleran las partículas a 200 EeV o, como una partícula del "Adorable", a 320, incluso si fuera una partícula de hierro.

El hecho del registro de una partícula se pone en duda. A principios de los 90, Sommers, empleado temporalmente en la Universidad de Utah, ayudó con el análisis de señales a 320 EeV. Y aunque para ese momento los estándares se midieron bastante bien, el "Ojo de la mosca" en ese momento era "monocular": la segunda parte del ojo solo se estaba completando. Carecía de la precisión e información que tenían sus seguidores. Sommers afirma que aunque no hay una razón particular para dudar, la sospecha aún permanece. Como los laboratorios modernos y más precisos no podían atrapar nada con tanta energía.

Por otro lado, al calcular la energía de la partícula "Adorable", uno podría cometer un error en la otra dirección. Y en cualquier caso, este hecho motivó el estudio posterior de partículas con energías que exceden el límite de GZK. Pero, incluso si el cálculo de su energía fuera erróneo, ahora nadie lo sabrá.