Étranges, et en particulier les nucléarites, leurs espèces lourdes, sont très denses, des objets compacts et potentiellement rapides constitués d'un nombre important et à peu près égal de up, down et quarks étranges, qui peut habiter l'univers. Leur existence a été émise pour la première fois par Edward Witten en 1984. Ces objets n'ont jamais été détectés auparavant et ont jusqu'à présent attiré moins d'attention que les météores, peut-être en raison de leur manque de pertinence en physique des particules.

Fin 1984, les physiciens théoriciens Alvaro De Rujula et Sheldon Lee Glashow ont introduit l'idée que, lors de la traversée de l'atmosphère terrestre, les nucleaires produisent de la lumière de la même manière que les météores, perdant très peu de leur énergie dans le processus. Si leur prédiction est juste, les équipes travaillant dans les observatoires de météores devraient être en mesure de confirmer si ces objets existent ou non. Jusque là, cependant, très peu de chercheurs ont mené des études sur cette possibilité.

Un phénomène cosmique différent enraciné dans la physique des particules, connu sous le nom de rayons cosmiques à ultra-haute énergie, partage certaines des mêmes caractéristiques théorisées des nucléarites. Ces rayons cosmiques, En réalité, produisent également des traînées de lumière dans l'atmosphère, bien qu'ils le fassent via un processus physique différent. En outre, ils se déplacent beaucoup plus rapidement que les nucléarités et sont généralement observés dans la bande ultraviolette (UV).

Contrairement aux nucléarités, des rayons cosmiques à ultra-haute énergie ont déjà été détectés. Néanmoins, c'est un phénomène très rare, avec des flux inférieurs à 1 particule par kilomètre carré pour 100 ans pour les énergies les plus élevées. Pour les détecter, les scientifiques doivent donc surveiller de grands volumes de l'atmosphère à l'aide de gros détecteurs, ce qui pourrait aussi conduire à terme à la détection de nucléarités.

Des chercheurs du RIKEN au Japon, le Centre national de recherche nucléaire en Pologne, Aix Marseille Université-CNRS, l'Académie polonaise des sciences et l'Université de Varsovie ont récemment effectué une recherche de nucléarités et d'autres objets compacts lourds sur la base de données photographiques collectées par les détecteurs "Pi of the Sky" au centre d'essais INTA El Arenosillo à Mazagaon près de Huelva, Espagne et à l'Observatoire de Las Campanas au Chili. Leur papier, journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.125.091101"> Publié dans Lettres d'examen physique , introduit un ensemble de limites qui pourraient guider les futures recherches d'objets compacts lourds dans l'univers.

« J'ai eu l'idée d'observer les nucleaires avec une caméra lorsque j'ai rejoint la collaboration JEM-EUSO, qui entend construire un télescope orbital UV surveillant l'atmosphère terrestre, à la recherche principalement de rayons cosmiques, mais aussi les nucléaristes, météores et autres phénomènes, " Lech Wiktor Piotrowski, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Un volume beaucoup plus important de l'atmosphère est visible depuis l'orbite par rapport aux observatoires au sol, ainsi les chances de détection sont augmentées d'un ordre de grandeur."

L'objectif clé de la récente étude de Piotrowski et de ses collègues était de découvrir des nucléarités ou d'autres objets compacts lourds traversant l'atmosphère sur des photographies prises par les détecteurs Pi du Ciel, ou au moins de fixer des limites à leur flux, si leur recherche n'a donné aucun résultat positif.

Alors que le dernier télescope UV développé par la collaboration JEM-EUSO pourrait aider à l'étude de nombreux phénomènes cosmologiques, les chercheurs n'ont pas encore commencé à l'utiliser pour collecter des observations (bien que les données d'expériences de précurseurs plus petites soient actuellement en cours d'analyse). Dans leur récente étude, ils ont donc décidé d'utiliser les données au sol disponibles collectées dans le cadre de l'expérience Pi of the Sky.

La prédiction selon laquelle les nucléarités produisent de la lumière lorsqu'elles traversent l'atmosphère est basée sur des estimations de leur densité et de leur vitesse potentielle. Cette caractéristique pourrait ainsi être partagée par d'autres objets cosmologiques de natures différentes.

Depuis que De Rujula et Glashow ont présenté leur théorie en 1984, la liste des objets supposés laisser des traces lumineuses dans l'atmosphère terrestre s'est considérablement allongée, incluant également des objets qui ne sont pas directement liés au domaine de la physique des particules, tels que les petits trous noirs primordiaux. Alors que leur recherche de nucléarités était infructueuse, cela a permis à Piotrowski et à ses collègues de fixer une série de limites qui pourraient affiner les futures recherches de nucléarités et d'autres objets compacts lourds dans l'univers.

"À l'école secondaire, lire un article populaire sur d'hypothétiques « strangelets » et comment ils peuvent détruire le monde, m'a convaincu que je devais devenir physicien des particules, " dit Piotrowski. " Je suis devenu un, mais dans le processus, J'ai commencé à penser que je n'aurai jamais rien à voir avec ces étranges. Puis, quelques années plus tard, grâce aux travaux que j'ai menés dans le cadre de la collaboration JEM-EUSO, J'ai découvert qu'avec les données d'archives de mon ancienne expérience d'observation du ciel Pi of the Sky, Je pourrais apporter une contribution substantielle au sujet des Strangelets. C'est ainsi qu'est né ce journal."

L'idée de base de l'étude menée par Piotrowski et ses collègues est assez simple. Quand on regarde le ciel la nuit, il/elle devrait théoriquement être capable de voir les traces de nucleaires et autres objets compacts lourds, tout comme il voit ceux laissés par les météores ou les satellites.

Les traces laissées par les nucleaires et autres objets lourds et compacts, cependant, devrait être légèrement différent. Un nucleaire devrait pouvoir traverser toute l'atmosphère, ainsi la traînée lumineuse qu'il laisse serait très longue et dégagerait une luminosité constante qui ne change qu'en fonction de la distance physique avec un observateur. Les chercheurs ont recherché ces longues traînées dans des photographies prises dans le cadre de l'expérience Pi of the Sky.

"Voir une telle piste nous donnerait un candidat, alors que l'absence de détections permettrait de limiter le flux de nucleaires et autres objets compacts lourds, " a expliqué Piotrowski. " Il s'agit de calculer le temps global d'observations du ciel et une surface effective du volume du ciel observé, qui dépend du pointage du détecteur, ainsi que sur l'hypothèse que les objets venaient de toutes les directions possibles, d'une seule direction ou de certaines configurations de direction spécifiques. Finalement, la limite doit inclure l'efficacité de détection du détecteur (qui peut être obtenue par des simulations), et des informations sur la façon dont nous pouvons distinguer les objets d'intérêt des autres pistes, tels que ceux provenant des météores et des satellites."

Le détecteur Pi of the Sky prend des images du ciel à l'aide de caméras CCD avec des objectifs photographiques commerciaux montés dessus, sans aucun filtre. Il peut donc collecter des images qui reflètent approximativement ce qu'un observateur humain verrait en regardant le ciel.

Les poses du détecteur durent environ 10 secondes et ses caméras suivent le mouvement des étoiles. Il peut ainsi également être utilisé pour recueillir des informations sur l'évolution du volume de l'atmosphère au cours de la nuit.

"Au cours de l'expérience Pi du Ciel, nous n'avions prévu aucune recherche liée aux pistes, et effectué une analyse automatique des étoiles et des transitoires stellaires, après quoi la plupart des données brutes ont été supprimées, " a déclaré Piotrowski. " Heureusement, les données brutes restantes, s'étalant sur plusieurs années et des caméras, a été utilisé pour l'analyse présentée dans notre article.

Les chercheurs ont analysé toutes les images brutes collectées par le détecteur Pi du Sky, en rejetant environ 50 % d'entre eux en raison de leur mauvaise qualité. Ensuite, ils ont recherché des images de pistes dans les images de bonne qualité restantes, qui comprenait 1766,05 h d'observations recueillies par un seul, Équivalent d'une caméra 20x20 degrés. Leur recherche a été menée à l'aide d'un algorithme basé sur la transformation de Hough spécialement conçu pour identifier les traces dans les images.

"Nous en avons identifié près de 36, 000 pistes dans les données, dont la plupart ont été automatiquement classés comme météores ou satellites en fonction principalement de la variabilité de leur luminosité (la luminosité d'une nucléarite devrait être presque constante), les autres ont été filtrés manuellement, laissant 29 candidats, " a déclaré Piotrowski. " Neuf d'entre eux ont été trouvés dans un catalogue de satellites, laissant 20 candidats. Dans les futures expériences dédiées, ces candidats pourraient être classés en fonction de leur vitesse, qui ne peuvent pas être déduits des expositions de 10 secondes analysées."

Les données utilisées par les chercheurs n'incluant aucune information relative à la vitesse, ils n'ont pas pu déterminer si les 20 candidats qu'ils n'ont pas pu identifier sont en fait des nucléarités ou des objets compacts lourds. Cependant, sur la base des données dont ils disposent, ils pensent que la possibilité qu'ils soient des objets lourds et compacts est hautement improbable.

"Presque toutes les 20 pistes restantes sont plus courtes que 500 pixels (notre CCD est d'environ 2000x2000 pixels), tandis que pour les nucléaires, nous nous attendons à une distribution presque plate sur toutes les longueurs de pistes possibles, limité presque uniquement par le point d'entrée dans l'atmosphère et le bord du champ de vision, " expliqua Piotrowski. " Les candidats sont donc très probablement des satellites ou des météores, avec une portion de piste dans nos caméras trop courte pour montrer la variabilité caractéristique de la luminosité."

Sur la base des résultats qu'ils ont recueillis jusqu'à présent, Piotrowski et ses collègues supposent que les images qu'ils ont analysées ne contiennent aucune trace de nucléarites ou d'autres objets compacts lourds, ils ont donc entrepris de limiter leur flux en fonction des données dont ils disposaient. Pour faire ça, ils ont calculé la surface effective du volume d'atmosphère contenu dans chaque trame, qui dépendait de la direction dans laquelle pointait une caméra, la masse hypothétique des nucléites et l'efficacité estimée de la détection des nucléites à l'aide de la configuration spécifique de la caméra.

L'efficacité de la détection de nucleaire a été calculée en superposant des représentations de traces de nucleite sur des images réelles du ciel et en exécutant l'algorithme de détection de traces basé sur la transformation de Hough sur ces données artificielles/simulées. Comme les nucleites n'ont jamais été observés auparavant, les outils de simulation sont particulièrement utiles pour les étudier et montrer à quoi ils ressembleraient.

Finalement, les chercheurs ont modifié la limite de flux en fonction de « l'efficacité de séparation » (c'est-à-dire, une valeur estimée qui décrit dans quelle mesure ils seraient capables de distinguer les traces de nucleaire des traces lumineuses produites par les météores, satellites et autres objets couramment observés). Cette valeur a été dérivée de la distribution de longueur des 20 pistes qu'ils n'ont pas pu identifier lors de leur recherche.

"La courbure de notre ligne limite vient de deux facteurs, " expliqua Piotrowski. " Premièrement, plus la masse de nucleite est faible, plus il est faible et plus la sensibilité de notre détecteur est faible. Cet effet domine les masses inférieures, où l'efficacité de détection est très faible. Seconde, plus la nucleite est lourde, plus il est haut dans l'atmosphère, il peut commencer à émettre de la lumière. Ainsi, le volume de l'atmosphère observé est plus important pour les nucléotides plus lourds, permettant de fixer une meilleure limite sur le flux. Celui-ci domine les masses les plus élevées, où l'efficacité de détection devient indépendante de la masse."

Les états exotiques de la matière qui ne peuvent pas être observés directement depuis la Terre ont fait l'objet de nombreuses études de recherche antérieures. Dévoiler de nouvelles formes de matières qui traversent l'atmosphère aurait des implications importantes pour l'étude de la physique, astrophysique, l'astronomie et potentiellement d'autres domaines scientifiques.

Les limites du flux d'objets compacts lourds fixées par Piotrowski et ses collègues pourraient être une étape importante vers une meilleure compréhension de la nature des objets compacts lourds. Par exemple, ils pourraient guider de futures études sur l'existence d'une matière de quarks stable dans l'univers.

"Nous avons maintenant également une confirmation expérimentale que les objets compacts lourds dans la gamme de masse donnée ne peuvent pas traverser l'atmosphère en grand nombre, " a déclaré Piotrowski. " C'est un point de départ pour la vérification des modèles spécifiques pour chaque type d'objet compact lourd et sa source possible dans l'univers. Mais il y a aussi une raison plus banale pour l'étude réalisée. Jusqu'à maintenant, il semble que personne n'ait recherché des objets compacts lourds dans la gamme de masse analysée; en tant que scientifiques, nous devrions explorer une telle terra incognita, car souvent, quelque chose de nouveau s'y cache. Ce n'est pas le cas cette fois, pas avec notre sensibilité actuelle, mais c'était un premier pas."

L'étude récente menée par cette équipe de chercheurs prouve également que des expériences purement astrophysiques pourraient être d'une grande valeur pour l'étude de la physique des particules. Alors que l'astrophysique et la physique des particules sont étroitement liées, En réalité, les idées introduites par Witten, Rujula et Glashow en 1984 sont restés en grande partie non testés ou traités par les physiciens des particules pendant plusieurs décennies.

À l'avenir, l'article rédigé par Piotrowski et ses collègues pourrait inspirer d'autres équipes dans le monde à rechercher des éléments nucléaires ou d'autres objets compacts lourds. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient de continuer à explorer ce sujet également, afin d'affiner davantage la recherche d'objets cosmologiques insaisissables.

"Les limites obtenues pourraient maintenant être utilisées et modifiées pour imposer des contraintes sur des types spécifiques d'objets compacts lourds et leur distribution dans la galaxie/l'univers, " dit Piotrowski. " Deuxièmement, il est également important d'améliorer les limites. Cela sera fait dans les futures expériences :celles au sol dédiées à la détection d'objets compacts lourds, et orbitaux observant d'énormes volumes de l'atmosphère."

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