Des chercheurs de l'Université du Delaware font partie d'une collaboration qui étudie les rayons cosmiques. En plus des réservoirs de détecteurs Cherenkov remplis d'eau, l'observatoire Pierre Auger en Argentine dispose d'un deuxième type de capteur de rayons cosmiques :les détecteurs à fluorescence. Les particules chargées dans une gerbe d'air de rayons cosmiques interagissent avec l'azote atmosphérique, l'amenant à émettre de la lumière ultraviolette par un processus appelé fluorescence, qui est invisible à l'œil humain - mais pas à ce détecteur optique. Crédit :Université du Delaware
Des particules plus petites qu'un atome traversent l'univers presque à la vitesse de la lumière, explosé dans l'espace à partir de quelque chose, quelque part, dans le cosmos.
Une collaboration scientifique de l'Observatoire Pierre Auger, y compris des chercheurs de l'Université du Delaware, a mesuré la plus puissante de ces particules, les rayons cosmiques à ultra haute énergie, avec une précision sans précédent. Ce faisant, ils ont trouvé un « coude » dans le spectre énergétique qui éclaire davantage les origines possibles de ces voyageurs spatiaux subatomiques.
Les conclusions de l'équipe sont basées sur l'analyse de 215, 030 événements de rayons cosmiques avec des énergies supérieures à 2,5 quintillions d'électrons-volts (eV), enregistré au cours de la dernière décennie par l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. C'est le plus grand observatoire au monde pour l'étude des rayons cosmiques.
La nouvelle caractéristique spectrale, un pli dans le spectre d'énergie des rayons cosmiques à environ 13 quintillions d'électrons-volts, représente plus que des points tracés sur un graphique. Il rapproche l'humanité de la résolution des mystères des particules les plus énergétiques de la nature, selon Frank Schroeder, professeur assistant à l'Institut de recherche Bartol du Département de physique et d'astronomie de l'UD, qui a participé à l'étude avec le soutien de la University of Delaware Research Foundation. La recherche est publiée dans Lettres d'examen physique et Examen de physique D .
Sur cette photo pré-pandémique, Le professeur UD Frank Schroeder travaille avec des collègues pour installer une antenne radio sur l'une des stations de détection de rayons cosmiques de l'Observatoire Pierre Auger, situé près de Malargüe, Argentine. Crédit :Université du Delaware
"Depuis que les rayons cosmiques ont été découverts il y a 100 ans, la question de longue date a été, qu'est-ce qui accélère ces particules ?" a déclaré Schroeder. "Les mesures de la collaboration Pierre Auger fournissent des indications importantes sur ce que nous pouvons exclure comme source. De travaux antérieurs, nous savons que l'accélérateur n'est pas dans notre galaxie. Grâce à cette dernière analyse, nous pouvons encore corroborer nos indications antérieures selon lesquelles les rayons cosmiques de très haute énergie ne sont pas seulement des protons d'hydrogène, mais aussi un mélange de noyaux d'éléments plus lourds, et cette composition change avec l'énergie."
Entre la "cheville" et l'"orteil"
Schroeder et le chercheur postdoctoral UD Alan Coleman, qui a contribué à l'analyse des données, sont membres de la Collaboration Pierre Auger depuis plusieurs années. L'UD a officiellement rejoint la collaboration en tant que membre institutionnel en 2018. Cette équipe de plus de 400 scientifiques de 17 pays exploite l'observatoire, qui occupe un 1, Zone de 200 milles carrés, de la taille de Rhode Island.
Un réseau de stations de détection de rayons cosmiques de l'Observatoire Pierre Auger près de Malargüe, Argentine. L'Université du Delaware est membre de la collaboration internationale qui exploite l'observatoire, qui comprend plus de 400 scientifiques de 17 pays. Crédit :Université du Delaware
L'observatoire compte plus de 1, 600 détecteurs appelés stations eau-Chérenkov répartis dans les hautes plaines de la Pampa Amarilla (Yellow Prairie), dominé par 27 télescopes à fluorescence. Collectivement, ces instruments mesurent l'énergie qu'une particule de rayon cosmique de très haute énergie libère dans l'atmosphère et fournissent une évaluation indirecte de sa masse. Toutes ces données - énergie, masse et la direction d'où ces particules extraordinaires sont arrivées - donnent des indices importants sur leurs origines.
Précédemment, les scientifiques pensaient que ces particules de rayons cosmiques à ultra-haute énergie étaient principalement des protons d'hydrogène, mais cette dernière analyse confirme que les particules ont un mélange de noyaux, certains plus lourds que l'oxygène ou l'hélium, comme le silicium et le fer, par exemple.
Tracé sur le graphique courbe représentant le spectre d'énergie des rayons cosmiques, vous pouvez voir le pli - une pente raide, section aplatie - entre la zone désignée par les scientifiques comme "la cheville, " et le point de départ du graphique, appelé "l'orteil".
Sur cette photo pré-pandémique, Le chercheur postdoctoral de l'UD Alan Coleman se tient aux côtés de l'un des 1 de l'Observatoire Pierre Auger, 600 stations de détection de rayons cosmiques, qui sont répartis sur 1, 200 miles carrés de la Pampa Amarilla. Le métal ondulé sur le dessus, appelé panneau scintillateur, et l'antenne radio sphérique sont toutes deux des capteurs de rayons cosmiques, tandis que l'antenne rectangulaire est destinée à la communication avec le bâtiment central de l'observatoire. Crédit :Université du Delaware
"Nous n'avons pas de nom spécifique pour cela, " dit Coleman, qui faisait partie de l'équipe de 20 personnes qui a écrit le code informatique et fait le calcul des chiffres requis pour l'analyse approfondie des données. "Je suppose que nous manquons de parties de l'anatomie pour l'appeler, " il a dit, plaisanterie.
Directement impliqué dans la recherche, Coleman a amélioré la reconstruction de la cascade de particules, que les rayons cosmiques créent lorsqu'ils frappent l'atmosphère, pour estimer l'énergie. Il a également effectué des études détaillées pour s'assurer que ce nouveau point d'inflexion était réel et non un artefact du détecteur. Le travail du groupe de données a duré plus de deux ans.
"Évidemment, c'est assez léger, " a déclaré Coleman à propos du pli spectral. " Mais chaque fois que vous voyez une bosse comme celle-ci, cela signale que la physique est en train de changer et c'est très excitant."
Il est très difficile de déterminer la masse des rayons cosmiques entrants, dit Coleman. Mais la mesure de la collaboration est si robuste et précise qu'un certain nombre d'autres modèles théoriques d'où proviennent les rayons cosmiques de très haute énergie peuvent désormais être éliminés, tandis que d'autres voies peuvent être poursuivies avec plus de vigueur.
Les scientifiques spéculent que les noyaux galactiques actifs peuvent être une source de rayons cosmiques de très haute énergie. Les noyaux galactiques actifs sont des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, qui comportent de gigantesques jets de matière qui s'échappent en tombant dans le trou noir. Centaure A, montré ici, est un exemple de cette classe de galaxies dans notre voisinage galactique à moins de 20 millions d'années-lumière de la Terre. Crédit :Université du Delaware
Le flux des rayons cosmiques dépend de leur énergie. Plus l'énergie est élevée, plus les rayons cosmiques sont rares. Cependant, la figure plus grande montre que cette relation n'est pas lisse. Plusieurs caractéristiques indiquent que quelque chose se passe à différentes énergies, désigné de manière informelle par les scientifiques sous le nom de « genou, " la "cheville" et "l'orteil, " avec le "nouveau kink, » mesuré par la Collaboration de l'Observatoire Pierre Auger. L'encart montre en détail cette nouvelle mesure. Chaque caractéristique peut être interprétée comme un changement dans la composition des rayons cosmiques aux énergies respectives. Crédit :Université du Delaware
Les noyaux galactiques actifs (AGN) et les galaxies stellaires sont désormais en lice comme sources potentielles. Alors que leur distance typique est d'environ 100 millions d'années-lumière, quelques candidats sont à moins de 20 millions d'années-lumière.
« Si nous apprenions quelles étaient les sources, nous pourrions examiner de nouveaux détails sur ce qui se passe, " a dit Coleman. Que se passe-t-il qui permet ces énergies incroyablement élevées ? Ces particules peuvent provenir de quelque chose que nous ne savons même pas."
Les recherches en cours de l'équipe UD se concentrent sur l'augmentation de la précision de la mesure des rayons cosmiques à ultra haute énergie et sur l'extension de la mesure précise du spectre des rayons cosmiques jusqu'aux énergies plus basses. Cela créerait un meilleur chevauchement avec d'autres expériences, Schroeder a dit, telles que les mesures des rayons cosmiques d'IceCube au pôle Sud, un autre observatoire d'astroparticules unique avec une implication majeure de l'Université du Delaware.
