小于原子的粒子幾乎以光速穿過宇宙，從宇宙中某處的某處爆炸進(jìn)入太空。皮埃爾·俄格天文臺的一次科學(xué)合作，包括特拉華大學(xué)的研究人員，以前所未有的精度測量了其中最強(qiáng)大的粒子-超高能宇宙射線。通過這樣做，他們發(fā)現(xiàn)了能譜中的“紐結(jié)”，使這些亞原子太空旅行者的可能起源發(fā)出了更多的光。

該小組的發(fā)現(xiàn)基于對過去十年中阿根廷皮埃爾·奧格天文臺記錄的能量超過2.5兆電子伏特(eV)的215,030條宇宙射線事件的分析。它是世界上最大的研究宇宙射線的天文臺。

新的光譜特征是宇宙射線能量譜中約13億億電子伏特的扭結(jié)，它所代表的點(diǎn)超過了圖中的點(diǎn)。UD物理與天文學(xué)系Bartol研究所助理教授Frank Schroeder指出，這使人類更接近解決自然界中最高能粒子的奧秘，他在大學(xué)的支持下參與了這項(xiàng)研究特拉華研究基金會。這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評論快報(bào)》和《物理評論D》上。

“自從100年前發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來，長期以來一直存在的問題是，是什么促使這些粒子加速?” 施羅德說。“ Pierre Auger Collaboration的測量結(jié)果為我們可以排除哪些物質(zhì)提供了重要提示。從以前的工作中，我們知道加速器不在我們的銀河系中。通過最新的分析，我們可以進(jìn)一步證實(shí)我們先前的跡象表明超高能宇宙射線不僅是氫的質(zhì)子，而且是來自較重元素的核的混合物，這種成分隨能量而變化。”

在“腳踝”和“腳趾”之間

Schroeder和UD博士后研究員Alan Coleman為Pierre Auger協(xié)作開展了多年的研究，他為數(shù)據(jù)分析做出了貢獻(xiàn)。UD于2018年以機(jī)構(gòu)成員身份正式加入合作。該團(tuán)隊(duì)由來自17個國家/地區(qū)的400多名科學(xué)家組成，負(fù)責(zé)運(yùn)行該天文臺，該天文臺面積約1,200平方英里，約合Rhode Island。

該天文臺有1600多個探測器，稱為水切倫科夫站，分布在潘帕阿馬里拉(黃色草原)的高平原上，被27臺熒光望遠(yuǎn)鏡所忽略。這些儀器共同測量超高能宇宙射線粒子在大氣中釋放的能量，并對其質(zhì)量進(jìn)行間接評估。所有這些數(shù)據(jù)(能量，質(zhì)量以及這些非凡粒子到達(dá)的方向)都提供了有關(guān)其起源的重要線索。

以前，科學(xué)家認(rèn)為這些超高能宇宙射線粒子主要是氫的質(zhì)子，但最新的分析證實(shí)，粒子具有核的混合物，例如比氧或氦重的原子核，例如硅和鐵。

在代表宇宙射線能譜的曲線圖上繪制，您可以看到科學(xué)家稱為“腳踝”的區(qū)域與圖的起點(diǎn)(稱為“腳趾”)之間的扭結(jié)(一個陡峭，平坦的部分)。 。”

“我們沒有一個特定的名字，”科爾曼說。他是一個由20人組成的團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)編寫計(jì)算機(jī)代碼，并對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)字運(yùn)算。他開玩笑說：“我想我們已經(jīng)用盡了部分解剖結(jié)構(gòu)來稱呼它。”

直接與該發(fā)現(xiàn)有關(guān)的是，科爾曼改進(jìn)了粒子級聯(lián)的重建，該粒子級聯(lián)是在撞擊大氣時產(chǎn)生的宇宙射線，以便估算能量。他還進(jìn)行了詳細(xì)的研究，以確保這個新的拐點(diǎn)是真實(shí)的，而不是檢測器的偽影。數(shù)據(jù)組的工作花了兩年多的時間。

科爾曼談到頻譜糾纏時說：“顯然，它很小。” “但是每當(dāng)您看到這樣的顛簸時，就表明物理學(xué)正在發(fā)生變化，這非常令人興奮。”

科爾曼說，很難確定入射的宇宙射線的質(zhì)量。但是，這項(xiàng)合作的測量是如此穩(wěn)健而精確，以至于現(xiàn)在可以消除許多其他有關(guān)超高能宇宙射線來自何處的理論模型，而其他途徑則可以更加有力地探索。

活躍的星系核(AGN)和星爆星系目前正在作為潛在來源。雖然它們的典型距離約為1億光年，但有一些候選物位于2000萬光年以內(nèi)。

科爾曼說：“如果我們知道了消息來源是什么，我們可以調(diào)查正在發(fā)生的事情的新細(xì)節(jié)。” 發(fā)生了什么事使這些高能量得以發(fā)生?這些粒子可能來自我們什至不知道的東西。”

UD團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的研究著重于進(jìn)一步提高超高能宇宙射線的測量精度，并將對宇宙射線光譜的精確測量擴(kuò)展到更低的能量。施羅德說，這將與其他實(shí)驗(yàn)有更好的重疊，例如南極IceCube的宇宙射線測量，這是特拉華大學(xué)的另一項(xiàng)獨(dú)特的天體粒子觀測站。