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    Nuova funzione trovata nello spettro energetico delle particelle più potenti dell'universo

    I ricercatori dell'Università del Delaware fanno parte della collaborazione che studia i raggi cosmici. Oltre ai serbatoi del rivelatore Cherenkov pieni d'acqua, l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina ha un secondo tipo di ricevitore di raggi cosmici:i rilevatori di fluorescenza. Le particelle cariche in uno sciame d'aria di raggi cosmici interagiscono con l'azoto atmosferico, inducendolo a emettere luce ultravioletta attraverso un processo chiamato fluorescenza, invisibile all'occhio umano, ma non a questo rilevatore ottico. Credito:Università del Delaware

    Particelle più piccole di un atomo sfrecciano nell'universo quasi alla velocità della luce, lanciato nello spazio da qualcosa, da qualche parte, nel cosmo.

    Una collaborazione scientifica dell'Osservatorio Pierre Auger, tra cui ricercatori dell'Università del Delaware, ha misurato la più potente di queste particelle, i raggi cosmici ad altissima energia, con una precisione senza precedenti. Così facendo, hanno trovato un "nodo" nello spettro energetico che sta facendo più luce sulle possibili origini di questi viaggiatori spaziali subatomici.

    I risultati del team si basano sull'analisi di 215, 030 eventi di raggi cosmici con energie superiori a 2,5 quintilioni di elettronvolt (eV), registrati nell'ultimo decennio dall'Osservatorio Pierre Auger in Argentina. È il più grande osservatorio al mondo per lo studio dei raggi cosmici.

    La nuova funzione spettrale, un nodo nello spettro energetico dei raggi cosmici a circa 13 quintilioni di elettronvolt, rappresenta più dei punti tracciati su un grafico. Porta l'umanità un passo più vicino alla risoluzione dei misteri delle particelle più energetiche in natura, secondo Frank Schroeder, professore assistente presso il Bartol Research Institute nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UD, che è stato coinvolto nello studio con il supporto della University of Delaware Research Foundation. La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica e Revisione di fisica D .

    In questa foto pre-pandemia, Il professor Frank Schroeder dell'UD lavora con i colleghi per installare un'antenna radio su una delle stazioni di rilevamento di raggi cosmici dell'Osservatorio Pierre Auger, situato vicino a Malargüe, Argentina. Credito:Università del Delaware

    "Da quando i raggi cosmici sono stati scoperti 100 anni fa, la domanda di vecchia data è stata, cosa accelera queste particelle?" ha detto Schroeder. "Le misurazioni della Pierre Auger Collaboration forniscono importanti suggerimenti su ciò che possiamo escludere come fonte. Da lavori precedenti, sappiamo che l'acceleratore non è nella nostra galassia. Attraverso quest'ultima analisi, possiamo ulteriormente corroborare le nostre precedenti indicazioni che i raggi cosmici ad altissima energia non sono solo protoni di idrogeno, ma anche un mix di nuclei di elementi più pesanti, e questa composizione cambia con l'energia."

    Tra la "caviglia" e la "punta"

    Schroeder e il ricercatore post-dottorato UD Alan Coleman, che hanno contribuito all'analisi dei dati, sono membri della collaborazione Pierre Auger da diversi anni. UD ha aderito ufficialmente alla collaborazione come membro istituzionale nel 2018. Questo team di oltre 400 scienziati provenienti da 17 paesi gestisce l'osservatorio, che occupa un 1, area di 200 miglia quadrate, grande quanto il Rhode Island.

    Una serie di stazioni di rilevamento di raggi cosmici dell'Osservatorio Pierre Auger vicino a Malargüe, Argentina. L'Università del Delaware è membro della collaborazione internazionale che gestisce l'osservatorio, che comprende più di 400 scienziati provenienti da 17 paesi. Credito:Università del Delaware

    L'osservatorio ha più di 1, 600 rilevatori chiamati stazioni acqua-Cherenkov sparsi negli altipiani della Pampa Amarilla (Yellow Prairie), dominato da 27 telescopi a fluorescenza. Collettivamente, questi strumenti misurano l'energia che una particella di raggi cosmici ad altissima energia rilascia nell'atmosfera e forniscono una valutazione indiretta della sua massa. Tutti questi dati:energia, massa e la direzione da cui queste particelle straordinarie sono arrivate, forniscono importanti indizi sulle loro origini.

    In precedenza, gli scienziati pensavano che queste particelle di raggi cosmici ad altissima energia fossero principalmente protoni di idrogeno, ma quest'ultima analisi conferma che le particelle hanno un mix di nuclei, alcuni più pesanti dell'ossigeno o dell'elio, come silicio e ferro, Per esempio.

    Tracciato sul grafico curvo che rappresenta lo spettro energetico dei raggi cosmici, puoi vedere il nodo, un ripido, sezione appiattita, tra l'area indicata dagli scienziati come "la caviglia, " e il punto iniziale del grafico, chiamato "la punta".

    In questa foto pre-pandemia, Il ricercatore post-dottorato UD Alan Coleman si trova accanto a uno degli 1 dell'Osservatorio Pierre Auger, 600 stazioni di rilevamento di raggi cosmici, che sono distribuiti su 1, 200 miglia quadrate della Pampa Amarilla. Il metallo ondulato in cima, chiamato pannello scintillatore, e l'antenna radio sferica sono entrambi sensori per i raggi cosmici, mentre l'antenna rettangolare è per la comunicazione con l'edificio centrale dell'osservatorio. Credito:Università del Delaware

    "Non abbiamo un nome specifico per questo, " ha detto Coleman, che faceva parte del team di 20 persone che ha scritto il codice del computer e ha elaborato il numero necessario per l'analisi approfondita dei dati. "Immagino che stiamo esaurendo le parti dell'anatomia per chiamarlo, " Egli ha detto, scherzando.

    Direttamente coinvolto nel ritrovamento, Coleman ha migliorato la ricostruzione della cascata di particelle, che i raggi cosmici creano quando colpiscono l'atmosfera, per stimare l'energia. Ha anche eseguito studi dettagliati per garantire che questo nuovo punto di flesso fosse reale e non un artefatto del rivelatore. Il lavoro del gruppo dati è durato più di due anni.

    "Ovviamente, è piuttosto leggero, "Coleman ha detto del nodo spettrale. "Ma ogni volta che vedi una protuberanza come questa, questo segnala che la fisica sta cambiando ed è molto eccitante".

    È molto difficile determinare la massa dei raggi cosmici in arrivo, ha detto Coleman. Ma la misurazione della collaborazione è così solida e precisa che ora è possibile eliminare una serie di altri modelli teorici per la provenienza dei raggi cosmici ad altissima energia, mentre altre strade possono essere perseguite con più vigore.

    • Gli scienziati ipotizzano che i nuclei galattici attivi possano essere una fonte di raggi cosmici ad altissima energia. I nuclei galattici attivi sono buchi neri supermassicci al centro delle galassie, che presentano giganteschi getti di materia che sfuggono cadendo nel buco nero. Centauro A, mostrato qui, è un esempio di questa classe di galassie nel nostro vicinato galattico a meno di 20 milioni di anni luce dalla Terra. Credito:Università del Delaware

    • Il flusso dei raggi cosmici dipende dalla loro energia. Maggiore è l'energia, più rari sono i raggi cosmici. Però, la figura più grande mostra che questa relazione non è uniforme. Diverse caratteristiche indicano che qualcosa sta accadendo a diverse energie, chiamato informalmente dagli scienziati come "ginocchio, ” la “caviglia” e la “punta, " insieme al "nuovo nodo, ” misurato dalla Collaborazione Osservatorio Pierre Auger. Il riquadro mostra in dettaglio questa nuova misurazione. Ogni caratteristica può essere interpretata come un cambiamento nella composizione dei raggi cosmici alle rispettive energie. Credito:Università del Delaware

    I nuclei galattici attivi (AGN) e le galassie starburst sono ora in corsa come potenziali fonti. Mentre la loro distanza tipica è di circa 100 milioni di anni luce, alcuni candidati sono entro 20 milioni di anni luce.

    "Se sapessimo quali erano le fonti, potremmo esaminare nuovi dettagli su ciò che sta accadendo, " Ha detto Coleman. Cosa sta succedendo che consente queste energie incredibilmente alte? Queste particelle potrebbero provenire da qualcosa che non sappiamo nemmeno."

    La ricerca in corso del team UD si concentra sull'ulteriore aumento della precisione di misurazione dei raggi cosmici ad altissima energia e sull'estensione della misurazione precisa dello spettro dei raggi cosmici fino alle energie più basse. Ciò creerebbe una migliore sovrapposizione con altri esperimenti, Schroeder ha detto, come le misurazioni dei raggi cosmici di IceCube al Polo Sud, un altro osservatorio di astroparticelle unico con il grande coinvolgimento dell'Università del Delaware.


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