Astrophysiker der University of Utah und des Telescope Array haben kosmische Strahlung mit Energien jenseits theoretischer Grenzen entdeckt, was das bestehende Verständnis der Teilchenphysik in Frage stellt. Diese Entdeckungen, darunter die Oh-My-God- und Amaterasu-Teilchen, weisen auf unbekannte kosmische Phänomene hin und stehen im Mittelpunkt der laufenden Forschung.
Das neu getaufte Amaterasu-Teilchen vertieft nach dem Oh-My-God-Teilchen das Geheimnis des Ursprungs, der Ausbreitung und der Teilchenphysik seltener, ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung.
Im Jahr 1991 entdeckte das Fly’s Eye-Experiment der University of Utah die energiereichste kosmische Strahlung, die jemals beobachtet wurde. Die später als Oh-My-God-Teilchen bezeichnete Energie der kosmischen Strahlung schockierte Astrophysiker. Nichts in unserer Galaxie hatte die Kraft, es zu erzeugen, und das Teilchen hatte mehr Energie, als theoretisch für kosmische Strahlung möglich wäre, die von anderen Galaxien zur Erde wandert. Einfach ausgedrückt: Das Teilchen sollte nicht existieren.
Astronomische Geheimnisse
Das Telescope Array hat seitdem mehr als 30 ultrahochenergetische kosmische Strahlen beobachtet, von denen jedoch keine annähernd das Energieniveau „Oh mein Gott“ erreicht hat. Bisher gibt es keine Beobachtungen über ihren Ursprung oder die Art und Weise, wie sie zur Erde gelangen können.
Künstlerische Illustration der extrem energiereichen kosmischen Strahlung, die von einem Oberflächendetektorarray des Telescope Array-Experiments beobachtet wird und „Amaterasu-Teilchen“ genannt wird. Bildnachweis: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
Am 27. Mai 2021 entdeckte das Telescope Array-Experiment die zweithöchste kosmische Strahlung mit extremer Energie. Bei 2,4 x 1020eV, die Energie dieses einzelnen subatomaren Teilchens entspricht der Energie, die einem ein Ziegelstein aus Hüfthöhe auf den Zeh fallen lässt. Unter der Leitung der University of Utah (U) und der University of Tokyo besteht das Telescope Array aus 507 Oberflächendetektorstationen, die in einem quadratischen Raster angeordnet sind und eine Fläche von 700 km abdecken2 (~270 Meilen2) außerhalb von Delta, Utah in der Westwüste des Bundesstaates. Das Ereignis löste 23 Detektoren im nordwestlichen Bereich des Telescope Array aus, die sich über 48 km erstreckten2 (18,5 Meilen2). Seine Ankunftsrichtung schien aus der Lokalen Leere zu stammen, einem leeren Raumbereich, der an die Lokale Leere grenzt Milchstraße Galaxis.
„Die Teilchen sind so energiereich, dass sie nicht von galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern beeinflusst werden sollten. Sie sollten in der Lage sein, zu zeigen, woher sie am Himmel kommen“, sagte John Matthews, Co-Sprecher des Telescope Array an der U und Co-Autor der Studie. „Aber im Fall des Oh-My-God-Teilchens und dieses neuen Teilchens verfolgt man seine Flugbahn bis zu seiner Quelle, und es gibt nichts, das energiereich genug ist, um es zu erzeugen. Das ist das Geheimnis daran – was zum Teufel ist los?“
Das Amaterasu-Teilchen
In ihrer Beobachtung, die am 24. November 2023 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft, beschrieb eine internationale Forscherkooperation die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, bewertete ihre Eigenschaften und kam zu dem Schluss, dass die seltenen Phänomene einer der Wissenschaft unbekannten Teilchenphysik folgen könnten. Die Forscher nannten es Amaterasu-Teilchen nach der Sonnengöttin in der japanischen Mythologie. Die Oh-My-God- und Amaterasu-Partikel wurden mit unterschiedlichen Beobachtungstechniken entdeckt, was bestätigt, dass diese ultrahochenergetischen Ereignisse zwar selten, aber real sind.
Künstlerische Illustration der Astronomie der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung zur Aufklärung extrem energiereicher Phänomene im Gegensatz zu einer schwächeren kosmischen Strahlung, die von elektromagnetischen Feldern beeinflusst wird. Bildnachweis: Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
„Diese Ereignisse scheinen von völlig anderen Orten am Himmel zu kommen. Es ist nicht so, dass es eine einzige mysteriöse Quelle gibt“, sagte John Belz, Professor an der U und Mitautor der Studie. „Es könnten Defekte in der Struktur der Raumzeit sein, kollidierende kosmische Strings. Ich meine, ich spucke nur verrückte Ideen aus, die den Leuten einfallen, weil es keine konventionelle Erklärung gibt.“
Teilchenbeschleuniger der Natur
Kosmische Strahlen sind Echos heftiger Himmelsereignisse, die Materie in ihre subatomaren Strukturen zerlegt und sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum geschleudert haben. Im Wesentlichen handelt es sich bei kosmischer Strahlung um geladene Teilchen mit einem breiten Energiespektrum, bestehend aus positiven Protonen, negativen Elektronen oder ganzen Atomkernen, die durch den Weltraum wandern und fast ständig auf die Erde niederregnen.
Kosmische Strahlung trifft auf die obere Erdatmosphäre und sprengt den Kern aus Sauerstoff- und Stickstoffgas, wodurch viele Sekundärteilchen entstehen. Diese wandern eine kurze Strecke in der Atmosphäre und wiederholen den Vorgang, wobei sie einen Schauer aus Milliarden Sekundärteilchen bilden, die an die Oberfläche zerstreut werden. Die Grundfläche dieses Sekundärschauers ist enorm und erfordert, dass Detektoren eine Fläche abdecken, die so groß ist wie das Teleskop-Array. Die Oberflächendetektoren nutzen eine Reihe von Instrumenten, die den Forschern Informationen über jede kosmische Strahlung liefern; Der Zeitpunkt des Signals zeigt seine Flugbahn und die Menge der geladenen Teilchen, die auf jeden Detektor treffen, verrät die Energie des Primärteilchens.
Da Teilchen eine Ladung haben, ähnelt ihre Flugbahn einer Kugel in einem Flipperautomaten, wenn sie im Zickzack gegen die elektromagnetischen Felder durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund fliegen. Es ist nahezu unmöglich, die Flugbahn der meisten kosmischen Strahlen zu verfolgen, die am unteren bis mittleren Ende des Energiespektrums liegen. Selbst hochenergetische kosmische Strahlung wird durch den Mikrowellenhintergrund verzerrt. Teilchen mit Oh-My-God- und Amaterasu-Energie schießen relativ ungebeugt durch den intergalaktischen Raum. Nur die mächtigsten himmlischen Ereignisse können sie hervorbringen.
„Dinge, die Menschen als energiegeladen betrachten, wie Supernovae, sind dafür bei weitem nicht energiereich genug. Man braucht riesige Energiemengen und wirklich hohe Magnetfelder, um das Teilchen einzuschließen, während es beschleunigt wird“, sagte Matthews.
Geheimnis der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung
Ultrahochenergetische kosmische Strahlung muss 5 x 10 überschreiten19 e.V. Das bedeutet, dass ein einzelnes subatomares Teilchen die gleiche kinetische Energie trägt wie der schnelle Ball eines Major-League-Pitchers und zig Millionen Mal mehr Energie hat, als jeder von Menschen hergestellte Teilchenbeschleuniger erreichen kann. Astrophysiker berechneten diese theoretische Grenze, die als Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenzwert (GZK) bekannt ist, als die maximale Energie, die ein Proton auf seiner Reise über große Entfernungen halten kann, bevor ihm die Wechselwirkungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Energie entziehen. Bekannte Quellenkandidaten wie aktive galaktische Kerne oder Schwarze Löcher mit Akkretionsscheiben, die Teilchenstrahlen aussenden, sind in der Regel mehr als 160 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Das neue Teilchen ist 2,4 x 1020 eV und das Oh-My-God-Teilchen 3,2 x 1020 eV übertreffen den Grenzwert problemlos.
Forscher analysieren auch die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, um Hinweise auf ihren Ursprung zu finden. Ein schwereres Teilchen, wie z. B. Eisenkerne, ist schwerer, hat mehr Ladung und ist anfälliger für Biegungen in einem Magnetfeld als ein leichteres Teilchen, das aus Protonen eines Wasserstoffs besteht Atom. Das neue Teilchen ist wahrscheinlich ein Proton. Die Teilchenphysik besagt, dass ein kosmischer Strahl mit einer Energie jenseits des GZK-Grenzwerts zu stark ist, als dass der Mikrowellenhintergrund seinen Weg verzerren könnte, aber die Rückverfolgung seiner Flugbahn zeigt in den leeren Raum.
„Vielleicht sind Magnetfelder stärker als wir dachten, aber das steht im Widerspruch zu anderen Beobachtungen, die zeigen, dass sie nicht stark genug sind, um bei diesen Energien von zehn bis zwanzig Elektronenvolt eine signifikante Krümmung zu erzeugen“, sagte Belz. „Es ist ein echtes Rätsel.“
Ausbau der Forschung und des Telescope Array
Das Telescope Array ist einzigartig positioniert, um ultrahochenergetische kosmische Strahlung zu erfassen. Es befindet sich auf etwa 1.200 m (4.000 Fuß), dem optimalen Höhenpunkt, der die maximale Entwicklung von Sekundärpartikeln ermöglicht, jedoch bevor sie zu zerfallen beginnen. Sein Standort in der Westwüste Utahs bietet in zweierlei Hinsicht ideale atmosphärische Bedingungen: Die trockene Luft ist entscheidend, da die Feuchtigkeit das für die Erkennung erforderliche ultraviolette Licht absorbiert. und der dunkle Himmel der Region ist unerlässlich, da Lichtverschmutzung zu viel Lärm erzeugen und die kosmische Strahlung verdecken würde.
Astrophysiker sind immer noch verwirrt über die mysteriösen Phänomene. Das Telescope Array befindet sich mitten in einer Erweiterung, von der sie hoffen, dass sie dabei hilft, den Fall zu lösen. Nach der Fertigstellung werden 500 neue Szintillatordetektoren das Telescope Array erweitern und durch kosmische Strahlung verursachte Teilchenschauer über 2.900 km hinweg messen2 (1.100 Meilen2 ), eine Fläche fast so groß wie Rhode Island. Der größere Footprint wird hoffentlich mehr Ereignisse erfassen, die Licht auf das Geschehen werfen.
Weitere Informationen zu dieser Entdeckung:
Referenz: „Eine extrem energiereiche kosmische Strahlung, die von einem Oberflächendetektorarray beobachtet wird“ 23. November 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abo5095