Registro de velocidade de quebra de partículas espaciais

Na noite de 15 de outubro de 1991, uma partícula chamada Oh-Meu-Deus cortou o céu sobre Utah .

Era radiação cósmica, contendo 320 exelétrons-volts (10 ¹⁸ eV) de energia - um milhão de vezes mais do que as partículas no Large Hadron Collider podem alcançar. A partícula tinha uma velocidade que, se competisse com a luz, seria 1/1000 da espessura do cabelo atrás dela em um ano. Há tanta energia nele como se você jogasse uma bola de boliche no dedo - apenas em uma bola de boliche há tantos átomos quanto estrelas no céu. "Ninguém esperava que tanta energia pudesse ser jogada em uma partícula", disse David Kieda, astrofísico da Universidade de Utah.

A oito quilômetros do local onde a partícula caiu, no topo de uma montanha deserta, no velho trailer, viviam ratos e trabalhavam como pesquisador. Pouco antes do evento, ao pôr do sol, Mengzhi Luo, apelidado de "Stephen", ligou os computadores do detector Fly's Eye. Este é um conjunto de uma dúzia de espelhos esféricos localizados em solo descoberto. Cada espelho foi fixado dentro de uma “lata” feita de um cano de esgoto e olhou para baixo durante o dia para que seus sensores sensíveis não sofressem radiação solar. Com o início da escuridão, em uma noite clara e sem lua, Luo virou as latas de frente para o céu.

"O experimento ainda era cru", diz Kieda, que trabalhou com o Eye of the Fly junto com Luo e outros cientistas. "Mas o principal é que funcionou."


Olho da mosca

O Eye of the Fly trabalhou em um campo de treinamento militar no deserto no oeste de Utah, de 1981 a 1993. Ele foi o primeiro a usar a tecnologia da "fluorescência do ar" para determinar as energias e direções dos raios cósmicos de alta energia, que usavam a luz emitida pelas moléculas de nitrogênio à medida que os raios passavam pela atmosfera. Em 1991, o Olho da Mosca descobriu um raio cósmico, que até hoje é considerado a partícula de maior energia detectada.

O traço levemente luminoso da partícula Oh-My-God ("Adorado" - como o fundador da Autodesk John Walker chamou em um de seus primeiros artigos na web) foi visto entre os olhos de uma mosca no próximo verão. As mensagens sobre ele apareceram apenas um ano depois, depois que um grupo de cientistas conseguiu se convencer de sua realidade. A partícula quebrou o recorde de velocidade que o atingiu por várias décadas. Antes disso, ele foi instalado por uma partícula descoberta por Kenneth Greisen, George Zatsepin e Vadim Kuzmin - 60 EeV. Eles acreditavam que qualquer partícula de maior energia a perderia em interações com a radiação de fundo do universo. Esse princípio de perda de energia, chamado de "perda do GZK", sugere que uma partícula de "Adorável" voou para nós de um objeto próximo - possivelmente do nosso superaglomerado galáctico.Mas para obtê-lo seria necessário um acelerador espacial de proporções inimagináveis. E na direção em que voou, os cientistas não conseguiram encontrar nada adequado.

"Como se você tivesse um gorila invisível no seu quintal que atire bolas de boliche em você", disse Kieda.

De onde veio a partícula “Adorável”? Como ela apareceu? E ela era? Essas perguntas levaram os cientistas a construir detectores mais sofisticados, que já registraram centenas de milhares de raios cósmicos de ultra alta energia de mais de 1 EeV, incluindo várias centenas de eventos ultra-GZK com partículas com energia superior a 60 EeV (no entanto, nenhum deles atingiu 320 EeV).

Partículas que superam o recorde do GZK poderiam vislumbrar aquela área da física que, de outra forma, seria inacessível - talvez até conectando a física quântica à evolução do espaço. Ou, pelo menos, descubra objetos astrofísicos incríveis que até então pareciam apenas pontos nas lentes do telescópio. Mas com o tempo, a pesquisa só levou a mais confusão. "É difícil explicar os dados, relacioná-los com qualquer uma das teorias existentes", diz Paul Sommers, astrofísico da Universidade Estadual da Pensilvânia, especializado em raios cósmicos de ultra alta energia. "Há problemas com qualquer hipótese."


Gráfico logarítmico das flutuações dos raios cósmicos em função da energia. A linha tem duas curvas, chamadas de "joelho" e "tornozelo" do espectro

Somente recentemente, os pesquisadores, tendo descoberto um "ponto quente" no céu, capturando várias partículas de alta energia, conseguiram seguir o caminho de entender os raios cósmicos de alta energia.

Problemas no tornozelo

A cada segundo, cada metro quadrado de terra é perfurado por milhares de raios cósmicos. E ninguém os descobriu até o físico austríaco Victor Hess levantar-se em um balão em 1910. Ele aprendeu que a quantidade de radiação ionizante aumenta com a altura. Ele fez medições durante um eclipse solar e descobriu que a maior parte da radiação chega até nós, independentemente do sol. Por isso, em 1936, ele recebeu o Prêmio Nobel.

Os raios cósmicos penetram em nosso planeta por todos os lados e têm uma distribuição suave de energias. Ao nível do mar, experimentamos radiação de baixo nível, derivada da interação dos raios com a nossa atmosfera. A maioria dos raios são prótons únicos, a maioria dos raios restantes são núcleos mais pesados ​​e vários deles são elétrons. Raios com mais energia são menos comuns. Os mais raros deles, com uma energia superior a 1 EeV, caem em um quilômetro quadrado do planeta apenas uma vez a cada cem anos.

Se traçarmos o número de raios que passam pelos detectores de acordo com sua energia, obteremos uma linha com uma inclinação negativa e duas curvas - o “joelho” e o “tornozelo”. Esses excessos, em teoria, mostram uma transição entre raios de natureza diferente ou raios de fontes mais poderosas de energia. Mas quais são esses tipos e quais fontes?

Como muitos especialistas, Karl-Hayens Kampert, professor de astrofísica da Universidade de Wuppertal na Alemanha e representante do observatório. Pierre Auger, o maior detector de raios de energia ultra alta do mundo, acredita que os raios cósmicos são acelerados por fenômenos semelhantes aos que ocorrem quando a aeronave muda para a velocidade supersônica. "Aceleração de choque" é "um processo fundamental que ocorre em diferentes escalas do universo", diz Campert. De explosões solares a explosões de estrelas, de pulsares em rotação rápida a radiações que emanam dos núcleos ativos das galáxias. Tudo isso é resultado do movimento supersônico do plasma, que leva ao aparecimento de uma onda de choque, que forma uma camada superficial de prótons e outras partículas. As partículas pulam dentro da onda e são refletidas pelas bordas, capturadas entre o campo magnético do plasma e o vácuo do espaço vazio. E a cada salto, a partícula ganha energia. "Então ela começa", diz Campert, "e se move pelo universo para ser pego pelo sensor".

Mas as tentativas de comparar diferentes ondas de explosão com o espectro de energia de raios cósmicos recebido colocam os astrofísicos em uma posição difícil. Seria de esperar que o “joelho” e o “tornozelo” marcassem os pontos mais altos nos quais prótons e núcleos podem ser energizados dentro das ondas de explosão. Os cálculos mostram que os prótons atingem o limite no ponto 0,001 EeV - e, de fato, isso coincide com o gráfico. Núcleos mais pesados ​​devem atingir energias da ordem de 0,1 EeV e, em seguida, dar lugar a raios mais poderosos provenientes de fontes externas à galáxia que não podem ser encontradas em nossa Via Láctea, e que elas mesmas podem ser do tamanho de uma galáxia. No entanto, o “tornozelo” obtido nas medições está na região de 5 EeV, uma ordem de magnitude maior que o máximo teórico para os raios cósmicos galácticos. Ninguém sabe por que isso é assim.

Após o tornozelo, a cerca de 60 EeV, a linha começa a zero, desenhando algo como um dedo do pé. Este é provavelmente o limite de GZK, além do qual os raios cósmicos perdem energia rapidamente ao interagir com a radiação de fundo. A existência desse limite, que Campert chama de "única previsão clara" feita sobre os raios cósmicos, foi confirmada pelo detector após o Eye of the Fly, chamado HighRes Fly's Eye, HiRes. A partir dessa posição, o espectro de energia diminui para uma fina corrente de partículas super-GZK e termina em 320 EeV com um ponto - "Adorável".

A presença do limite GZK sugere que as leis da física funcionam como esperado. As partículas que superaram esse limite não as refutam, mas simplesmente voaram para perto, e a radiação de fundo não conseguiu tirar sua energia. Mas de onde eles vieram e como? Por 20 anos, parecia que partículas vinham de todos os lugares e de lugar nenhum. Mas, no final, um "ponto quente" foi descoberto no hemisfério norte.

Mais quente

Em Utah, a três horas de carro do primeiro “Eyes of the Fly” é o seu mais recente descendente, um conjunto de detectores de 762 quilômetros quadrados. chamado de matriz do telescópio. O experimento acompanha a passagem de bilhões de partículas cósmicas desde 2008. "Temos observado um aumento na importância estatística do hot spot ao longo dos anos", disse Gordon Thomson, professor de física e astronomia da Universidade de Utah e porta-voz da TA.


Dos 87 raios cósmicos que cruzaram a barra em 57 EeV, 27% vieram de 6% da área da esfera celeste

O ponto quente dos raios trans-GZK, com um centro na constelação da Ursa Maior, inicialmente não era de interesse. Mas, no ano passado, alcançou uma significância estatística de 4 sigma, ou seja, a probabilidade de ser real é de 99,994%. Thomson e a equipe devem atingir um valor de 5 sigma para anunciar oficialmente a descoberta (eles esperam que isso aconteça em junho).

"É emocionante", diz Linden. Dados adicionais os ajudarão a determinar a localização do ponto quente (agora está embaçado devido ao desvio dos raios cósmicos na galáxia e no campo magnético da Terra). O gorila invisível logo se materializará.

Enquanto isso, algumas partículas de interesse se acumulam nos sensores IceCube, um quilômetro cúbico de gelo armazenado sob o Pólo Sul. Por 4 anos, o IceCube rastreia raros traços de neutrinos que dificilmente interagem com a matéria, mas são encontrados em abundância em todo o universo.

Às vezes, os neutrinos interagem com átomos que passam através de um IceCube, e a radiação que ocorre durante esse processo pode ser detectada. Sua direção de movimento desenha um novo mapa cósmico, que pode ser comparado com mapas de raios e luz de alta energia. Em 2013, pesquisadores do IceCube anunciaram a observação do primeiro par de neutrinos de alta energia com uma energia de 0,001 EeV, que eles chamaram de Bert e Ernie. Eles podem vir de onde vêm os raios cósmicos de alta energia. Os neutrinos têm uma vantagem sobre os outros raios - eles não têm carga, por isso voam sempre em linha reta.


Observatório IceCube Neutrino

Dos 54 neutrinos de alta energia que foram descobertos durante a operação do IceCube, quatro voaram da área "quente". Assim, como Linden chamou, "uma sugestão de correlação": como os neutrinos viajam mais rápido que os raios cósmicos, sua fonte comum poderia emitir nossas partículas energéticas por muitos anos. Os cientistas descartaram fontes de curto prazo como explosões de raios gama e estão considerando processos de vida mais longa - por exemplo, uma galáxia com estrelas nascentes e um buraco negro supermassivo no centro. "Nos próximos anos, capturaremos mais neutrinos e verificaremos a correlação", diz Linden.

Juntamente com radiação cósmica e neutrinos, os cientistas também estudam radiação gama. Eles estão sendo estudados pelos projetos HESS (Sistema Estereoscópico de Alta Energia) na Namíbia e VERITAS (Sistema de Matriz de Telescópio de Imaginação por Radiação Muito Energética) no Arizona, onde o mesmo Kieda que participava do projeto Olho da Mosca está trabalhando. A combinação de três fenômenos deve ajudar a detectar e esclarecer a imagem dos aceleradores de partículas mais poderosos do universo.

Thomson está pronto para apostar que essas serão cadeias de galáxias e matéria escura chamadas " filamentos galácticos " - as maiores estruturas do Universo, com centenas de milhões de anos-luz de duração. Ele diz que os cientistas têm vários "lugares interessantes" para estudar, dos quais você só precisa coletar mais dados.

Escorra a piscina

Campert do observatório. Por outro lado, Pierre Auger aborda a questão das partículas de alta energia. Ele pergunta: "Como eles são?"


Victor Hess descobriu a radiação cósmica subindo em um balão.Alguns

astrofísicos consideram o Observatório Auger "azarado". Ocupa 3.000 quilômetros quadrados. nos campos da Argentina, ele coleta muito mais dados do que a matriz de telescópios, mas não pode detectar nenhum "ponto quente" no hemisfério sul. Ela reuniu evidências de uma pequena quantidade de raios trans-GZK na direção do núcleo da galáxia Alpha Centauri. Mas talvez ela ainda não consiga coletar dados suficientes para apontar para o hot spot com confiança. É possível que a falta de dados seja um mistério interessante por si só.

"Temos muitos dados e não vemos nada assim", diz Sommers, que ajudou a projetar e organizar o Auger Observatory. - Isso é incrível. Nos anos 80, eu apostaria muito dinheiro com o fato de que, com essas estatísticas, obtemos pontos de acesso e padrões claros. Isso é surpreendente.

Além disso, o gráfico na região dos núcleos mais pesados ​​no final do espectro dos raios cósmicos pode servir como uma pista. Assim como as supernovas aceleram os prótons além dos "joelhos" do espectro, e além desse limite apenas os núcleos mais pesados ​​podem acelerar - é também assim que os aceleradores mais poderosos do universo se comportam. Os cientistas podem estar observando o final real do espectro dos raios cósmicos - os pontos em que os prótons e, em seguida, o hélio, o carbono e o ferro atingem seu máximo.

Os teóricos ainda estão tentando imaginar como os candidatos a aceleradores aceleram partículas para 200 EeV, ou, como uma partícula de “Adorável”, para 320 - mesmo que fosse uma partícula de ferro.

O fato do registro de uma partícula é questionado. No início dos anos 90, Sommers, empregado temporariamente na Universidade de Utah, ajudou na análise de sinais em 320 EeV. E, embora naquela época os padrões fossem medidos muito bem, o "Olho da Mosca" naquela época era "monocular" - a segunda parte do olho estava apenas sendo concluída. Ele não tinha a precisão e as informações que seus seguidores tinham. Sommers afirma que, embora não exista uma razão específica para duvidar, a suspeita ainda permanece. Desde os laboratórios modernos e mais precisos, não era possível captar nada com tanta energia.

Por outro lado, ao calcular a energia da partícula “Adorável”, pode-se cometer um erro na outra direção. E, de qualquer forma, esse fato motivou o estudo adicional de partículas com energias que excederam o limite de GZK. Mas, mesmo que o cálculo de sua energia tenha sido errado, agora ninguém saberá sobre isso.