stranezze, e in particolare nucleariti, la loro specie pesante, sono molto densi, oggetti compatti e potenzialmente veloci fatti di numeri grandi e approssimativamente uguali di fino, down e strani quark, che può abitare l'universo. La loro esistenza è stata ipotizzata per la prima volta da Edward Witten nel 1984. Questi oggetti non sono mai stati rilevati prima e finora hanno attirato meno attenzione delle meteore, forse a causa della loro mancanza di rilevanza nella fisica delle particelle.

Alla fine del 1984, i fisici teorici Alvaro De Rujula e Sheldon Lee Glashow hanno introdotto l'idea che, quando si attraversa l'atmosfera terrestre, le nucleariti producono luce in modo simile alle meteore, perdendo molto poco della loro energia nel processo. Se la loro previsione è giusta, le squadre che lavorano negli osservatori di meteoriti dovrebbero essere in grado di confermare se questi oggetti esistono o meno. Finora, però, pochissimi ricercatori hanno condotto studi che indagassero su questa possibilità.

Un diverso fenomeno cosmico radicato nella fisica delle particelle, noti come raggi cosmici ad altissima energia, condivide alcune delle stesse caratteristiche teorizzate delle nucleariti. Questi raggi cosmici, infatti, producono anche scie luminose nell'atmosfera, sebbene lo facciano attraverso un diverso processo fisico. Inoltre, si muovono molto più velocemente delle nuclearità e di solito si osservano nella banda dell'ultravioletto (UV).

A differenza delle nuclearità, raggi cosmici ad altissima energia sono stati rilevati in precedenza. Ciò nonostante, sono un fenomeno molto raro, con flussi inferiori a 1 particella per chilometro quadrato per 100 anni per le energie più alte. Per rilevarli, gli scienziati hanno quindi bisogno di monitorare grandi volumi dell'atmosfera utilizzando grandi rivelatori, che potrebbe eventualmente portare anche all'individuazione di nuclearità.

Ricercatori presso RIKEN in Giappone, il Centro nazionale per la ricerca nucleare in Polonia, Università di Aix Marsiglia-CNRS, l'Accademia polacca delle scienze e l'Università di Varsavia hanno recentemente effettuato una ricerca di nuclearità e altri oggetti compatti pesanti sulla base dei dati fotografici raccolti dai rivelatori "Pi of the Sky" presso il centro di test INTA El Arenosillo a Mazagaon vicino a Huelva, Spagna e all'Osservatorio Las Campanas in Cile. La loro carta, journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.125.091101"> pubblicato in Lettere di revisione fisica , introduce una serie di limiti che potrebbero guidare le future ricerche di oggetti compatti pesanti nell'universo.

"Mi sono imbattuto nell'idea di osservare i nucleariti con una telecamera quando sono entrato a far parte della collaborazione JEM-EUSO, che intende costruire un telescopio orbitale UV per monitorare l'atmosfera terrestre, cercando principalmente i raggi cosmici, ma anche nucleariti, meteore e altri fenomeni, "Lech Wiktor Piotrowski, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Un volume molto più grande dell'atmosfera è visibile dall'orbita rispetto agli osservatori a terra, quindi le possibilità di rilevamento sono aumentate di un ordine di grandezza."

L'obiettivo chiave del recente studio di Piotrowski e dei suoi colleghi era quello di scoprire nuclearità o altri oggetti compatti pesanti che attraversano l'atmosfera nelle fotografie scattate dai rivelatori Pi of the Sky, o per lo meno porre dei limiti al loro flusso, se la loro ricerca non ha prodotto risultati positivi.

Mentre il telescopio UV finale sviluppato dalla collaborazione JEM-EUSO potrebbe aiutare lo studio di numerosi fenomeni cosmologici, i ricercatori non hanno ancora iniziato a usarlo per raccogliere osservazioni (sebbene siano attualmente in fase di analisi i dati di esperimenti di precursori più piccoli). Nel loro recente studio, hanno quindi deciso di utilizzare i dati a terra disponibili raccolti nell'ambito dell'esperimento Pi of the Sky.

La previsione che le nucleari producano luce mentre attraversano l'atmosfera si basa su stime della loro densità e velocità potenziale. Questa caratteristica potrebbe quindi essere condivisa da altri oggetti cosmologici di diversa natura.

Da quando De Rujula e Glashow hanno introdotto la loro teoria nel 1984, l'elenco degli oggetti che si ipotizza lascino tracce di luce nell'atmosfera terrestre è cresciuto notevolmente, includendo anche oggetti che non sono direttamente rilevanti per il campo della fisica delle particelle, come piccoli buchi neri primordiali. Mentre la loro ricerca di nuclearità era infruttuosa, ha permesso a Piotrowski e ai suoi colleghi di stabilire una serie di limiti che potrebbero restringere le future ricerche sia di nuclearità che di altri oggetti compatti pesanti nell'universo.

"Alle superiori, leggendo un articolo popolare su ipotetici "stranieri" e su come potrebbero distruggere il mondo, mi convinse che dovevo diventare un fisico delle particelle, "Piotrowski ha detto. "Sono diventato uno, ma nel processo, Ho iniziato a pensare che non avrò mai niente a che fare con quegli strani piccoli. Quindi, pochi anni dopo, grazie al lavoro che ho svolto nell'ambito della collaborazione JEM-EUSO, Ho scoperto che con i dati d'archivio del mio vecchio esperimento di osservazione del cielo Pi of the Sky, Potrei dare un contributo sostanziale all'argomento delle stranezze. Così è nato questo giornale".

L'idea alla base dello studio condotto da Piotrowski e dai suoi colleghi è abbastanza semplice. Quando si alza lo sguardo al cielo di notte, dovrebbe teoricamente essere in grado di vedere le tracce di nucleariti e altri oggetti compatti pesanti, proprio come vede quelli lasciati da meteore o satelliti.

Le tracce lasciate dalle nucleariti e da altri oggetti pesanti e compatti, però, dovrebbe essere leggermente diverso. Una nuclearite dovrebbe essere in grado di attraversare l'intera atmosfera, quindi la scia di luce che lascia sarebbe molto lunga ed emetterebbe una luminosità costante che cambia solo in base alla distanza fisica con un osservatore. I ricercatori hanno cercato queste lunghe scie nelle fotografie scattate come parte dell'esperimento Pi of the Sky.

"Vedere una traccia del genere ci darebbe un candidato, mentre la mancanza di rilevamenti ci permetterebbe di porre un limite al flusso di nucleariti e altri oggetti compatti pesanti, " ha spiegato Piotrowski. "Ciò comporta il calcolo del tempo complessivo delle osservazioni del cielo e una superficie effettiva del volume del cielo osservato, che dipende dal puntamento del rivelatore, nonché sul presupposto che gli oggetti provenissero da tutte le direzioni possibili, da un'unica direzione o da alcune specifiche configurazioni di direzione. Finalmente, il limite deve includere l'efficienza di rivelazione del rivelatore (ottenibile tramite simulazioni), e informazioni su come possiamo distinguere tra gli oggetti di interesse e altre tracce, come quelli provenienti da meteore e satelliti".

Il rilevatore Pi of the Sky acquisisce immagini del cielo utilizzando telecamere CCD con obiettivi fotografici commerciali montati su di esse, senza alcun filtro. Può quindi raccogliere immagini che riflettono approssimativamente ciò che un osservatore umano vedrebbe guardando il cielo.

Le esposizioni del rivelatore durano circa 10 secondi e le sue telecamere seguono il movimento delle stelle. Può quindi essere utilizzato anche per raccogliere informazioni su come il volume dell'atmosfera è cambiato nel corso della notte.

"Durante l'esperimento Pi del Cielo, non abbiamo previsto alcuna ricerca relativa ai brani, e ha eseguito un'analisi automatica delle stelle e dei transienti simili a stelle, dopo di che la maggior parte dei dati grezzi è stata scartata, " ha detto Piotrowski. " I dati grezzi fortunatamente rimanenti, che attraversa diversi anni e fotocamere, è stato utilizzato per l'analisi presentata nel nostro documento."

I ricercatori hanno analizzato tutti i fotogrammi grezzi raccolti dal rilevatore Pi del cielo, scartandone circa il 50% a causa della loro scarsa qualità. Successivamente, hanno cercato immagini di tracce nei restanti fotogrammi di buona qualità, che includeva 1766,05 h di osservazioni raccolte da un unico, Equivalente a una fotocamera 20x20 gradi. La loro ricerca è stata condotta utilizzando un algoritmo basato sulla trasformata di Hough specificamente progettato per identificare le tracce nelle immagini.

"Ne abbiamo individuati quasi 36, 000 tracce nei dati, la maggior parte dei quali sono stati automaticamente classificati come meteore o satelliti in base principalmente alla variabilità della loro luminosità (la luminosità di una nuclearite dovrebbe essere quasi costante), i restanti sono stati filtrati manualmente, lasciando 29 candidati, " ha detto Piotrowski. "Nove di questi sono stati trovati in un catalogo di satelliti, lasciando 20 candidati. In futuri esperimenti dedicati, quei candidati potrebbero essere ulteriormente classificati in base alla loro velocità, che non può essere derivato dalle esposizioni di 10 secondi analizzate."

Poiché i dati utilizzati dai ricercatori non includevano alcuna informazione relativa alla velocità, non sono stati in grado di determinare se i 20 candidati che non sono stati in grado di identificare sono in realtà nuclearità o oggetti compatti pesanti. Però, sulla base dei dati a loro disposizione, pensano che la possibilità che siano oggetti pesanti e compatti è altamente improbabile.

"Quasi tutte le 20 tracce rimanenti sono più corte di 500 pixel (il nostro CCD è di circa 2000x2000 pixel), mentre per i nucleariti, ci aspettiamo una distribuzione quasi piatta su tutte le possibili lunghezze dei binari, limitato quasi solo dal punto di ingresso nell'atmosfera e dal bordo del campo visivo, " ha spiegato Piotrowski. "I candidati sono quindi molto probabilmente satelliti o meteore, con una porzione di traccia nelle nostre fotocamere troppo corta per mostrare la caratteristica variabilità della luminosità."

Sulla base dei risultati raccolti finora, Piotrowski e i suoi colleghi presumono che le immagini che hanno analizzato non contengano tracce di nucleariti o altri oggetti compatti pesanti, quindi si sono proposti di porre un limite al loro flusso in base ai dati a loro disposizione. Per fare questo, hanno calcolato la superficie effettiva del volume dell'atmosfera contenuta in ogni fotogramma, che dipendeva dalla direzione in cui puntava una telecamera, la massa ipotetica di nucleariti e l'efficienza stimata del rilevamento di nuclearite utilizzando la configurazione specifica della telecamera.

L'efficienza del rilevamento della nuclearite è stata calcolata sovrapponendo rappresentazioni delle tracce di nuclearite a immagini reali del cielo ed eseguendo l'algoritmo di rilevamento della traccia basato sulla trasformata di Hough su questi dati artificiali/simulati. Poiché i nucleariti non sono mai stati osservati prima, gli strumenti di simulazione sono particolarmente utili per studiarli e mostrare come sarebbero.

In definitiva, i ricercatori hanno cambiato il limite di flusso in base alla "efficienza di separazione" (cioè, un valore stimato che descrive quanto bene sarebbero in grado di distinguere le tracce di nuclearite dalle scie luminose prodotte dalle meteore, satelliti e altri oggetti comunemente osservati). Questo valore è stato derivato dalla distribuzione della lunghezza delle 20 tracce che non sono stati in grado di identificare durante la ricerca.

"La curvatura della nostra linea limite deriva da due fattori, " ha spiegato Piotrowski. "In primo luogo, minore è la massa della nuclearite, più è debole e minore è la sensibilità del nostro rilevatore. Questo effetto domina le masse inferiori, dove l'efficienza di rilevamento è molto piccola. Secondo, più pesante è la nuclearite, più alto nell'atmosfera può iniziare a emettere luce. Così, il volume dell'atmosfera osservato è maggiore per le nucleariti più pesanti, consentendo di fissare un limite migliore al flusso. Questo domina le masse più alte, dove l'efficienza di rilevamento diventa indipendente dalla massa."

Stati esotici della materia che non possono essere osservati direttamente dalla Terra sono stati al centro di numerosi studi di ricerca passati. Svelare nuove forme di materia che attraversano l'atmosfera avrebbe importanti implicazioni per lo studio della fisica, astrofisica, astronomia e potenzialmente anche altri campi scientifici.

I limiti al flusso di oggetti compatti pesanti fissati da Piotrowski e dai suoi colleghi potrebbero essere un passo importante verso una migliore comprensione della natura degli oggetti compatti pesanti. Ad esempio, potrebbero guidare studi futuri che indagano sull'esistenza di materia di quark stabile nell'universo.

"Ora abbiamo anche una conferma sperimentale che gli oggetti pesanti e compatti nella data gamma di massa non possono attraversare l'atmosfera in gran numero, " Ha detto Piotrowski. "Questo è un punto di partenza per la verifica dei modelli specifici per ogni tipo di oggetto compatto pesante e la sua possibile origine nell'universo. Ma c'è anche una ragione più banale per lo studio eseguito. Fino ad ora, sembra che nessuno avesse cercato oggetti pesanti e compatti nell'intervallo di massa analizzato; come scienziati, dovremmo esplorare tale terra incognita, perché spesso, qualcosa di nuovo si nasconde lì. non è successo questa volta, non con la nostra sensibilità attuale, ma questo è stato un primo passo".

Il recente studio condotto da questo team di ricercatori dimostra anche che esperimenti puramente astrofisici potrebbero essere di grande valore per lo studio della fisica delle particelle. Mentre l'astrofisica e la fisica delle particelle sono strettamente correlate, infatti, le idee introdotte da Witten, Rujula e Glashow nel 1984 sono rimasti in gran parte non testati o affrontati dai fisici delle particelle per diversi decenni.

Nel futuro, il documento scritto da Piotrowski e dai suoi colleghi potrebbe ispirare altri team in tutto il mondo a cercare nuclearità o altri oggetti compatti pesanti. Nel frattempo, i ricercatori intendono continuare a esplorare anche questo argomento, per restringere ulteriormente la ricerca di oggetti cosmologici sfuggenti.

"I limiti ottenuti potrebbero ora essere utilizzati e modificati per porre vincoli su tipi specifici di oggetti compatti pesanti e sulla loro distribuzione nella galassia/universo, " ha detto Piotrowski. "Secondo, è anche importante migliorare sui limiti. Questo sarà fatto in futuri esperimenti:quelli a terra dedicati allo scopo di rilevare oggetti compatti pesanti, e orbitali che osservano enormi volumi dell'atmosfera."

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