Naukowcy wiedzą więcej o promieniach kosmicznych ultra-wysokich energii

Promienie kosmiczne ultra-wysokich energii (UHECR) są cząstkami, które osiągają energie aż do 10²⁰ eV, są więc cząstkami o najwyższych energiach, jakie znamy we Wszechświecie. Aby osiągnąć takie energie przy użyciu obecnie dostępnej technologii, trzeba by przeskalować akcelerator LHC do rozmiarów orbity Merkurego. Strumień takich cząstek jest skrajnie mały: na powierzchnię 1 km² pada mniej niż jedna cząstka na stulecie. Od wielu lat trwają usiłowania zidentyfikowania źródeł tych cząstek, a także procesów, które nadają im tak wyjątkowe energie.

Współpraca w projekcie Pierre Auger dotyczy grupy około 400 naukowców z 17 krajów z całego świata - obsługują oni największe na świecie obserwatorium promieni kosmicznych: detektor hybrydowy złożony z ponad 1600 stacji powierzchniowych (wodnych liczników czerenkowskich) pokrywających powierzchnię 3000 km² oraz 27 teleskopów fluorescencyjnych. Użyte łącznie, instrumenty te zapewniają kalorymetryczne pomiary energii kaskad cząstek wtórnych wywoływanych w atmosferze przez pierwotne wysokoenergetyczne promienie kosmiczne. Pozwalają również na pośrednie oszacowanie mas tych cząstek pierwotnych. Łącząc informacje o widmie energii, składzie masowym i obserwowanym rozkładzie kierunków przylotu cząstek pierwotnych, można uzyskać ważne ograniczenia na możliwe źródła tych niezwykłych cząstek.

Analizując dużą statystykę danych zgromadzonych do tej pory przez Obserwatorium Pierre Auger, wyznaczono widmo takich promieni kosmicznych. Dzięki wyjątkowo dużej precyzji pomiaru zidentyfikowano nową cechę widma - mianowicie, załamanie w widmie potęgowym przy energii około 1,3∙10¹⁹ eV. Wyniki zostały ogłoszone w dwu niedawnych publikacjach Współpracy Pierre Auger. Są one zilustrowane na Rys. 1, który pokazuje możliwą interpretację danych o widmie i składzie promieni kosmicznych w scenariuszu, w którym źródła wysyłają cząstki, których skład masowy zmienia się z energią.

Pokazany przykład reprezentuje szczególną klasę modeli, w których przyśpieszanie cząstek zależy tylko od ich sztywności magnetycznej (energii podzielonej przez ładunek). Skład promieni kosmicznych wydaje się być zdominowany przez jądra o pośrednich masach, emitowanych ze źródeł z bardzo twardym widmem energii, które jest modyfikowane przez efekty propagacji. W takim modelu nowe załamanie widma pojawiałoby się w naturalny sposób wskutek zmiany składu promieni kosmicznych w zakresie energii tego załamania.

Obserwowane widmo energii pozwala też wyznaczyć gęstość energii promieni kosmicznych emitowanych w przestrzeń międzygalaktyczną przez źródła emitujące w sposób ciągły. Co ciekawe - oczekuje się, że niektóre klasy aktywnych jąder galaktyk i galaktyk gwiazdotwórczych (dla których różne analizy Współpracy Pierre Auger wskazują na anizotropię promieni kosmicznych) powinny emitować energię w tym właśnie tempie. Jest to krok naprzód w poszukiwaniu źródeł promieni kosmicznych ultra-wysokich energii.

Obserwatorium Pierre Auger obecnie jest w trakcie dużej modernizacji poprzez dodanie detektorów scyntylacyjnych i anten radiowych do istniejących stacji wodnych liczników czerenkowskich. Pozwoli to na uzyskanie dokładniejszych informacji o składzie masowym promieni kosmicznych i na rozciągnięcie widma mas do wyższych energii. Ewentualna obecność lekkich jąder przy najwyższych energiach otworzyłaby możliwości poszukiwania źródeł wspomaganego informacją o składzie promieni kosmicznych, a także badania kosmicznych pól magnetycznych.

IFJ PAN aktywnie uczestniczy w pracach Obserwatorium Pierre Auger, zarówno na etapie budowy Obserwatorium w latach 2000-2008, jak też w akwizycji i analizie danych. W szczególności, centralnym tematem dotychczasowych analiz było polepszenie dokładności wyznaczania energii wielkich pęków atmosferycznych w detektorze fluorescencyjnym. "Nasze ulepszenia analizy danych dotyczące m. in. rozkładu światła w obrazie optycznym wielkiego pęku, wpływu atmosfery na propagację światła i rekonstrukcji pęku w detektorze, znacząco przyczyniły się do wyznaczenia prezentowanego tu widma energii promieni kosmicznych" - podają pracownicy IFJ PAN.

Obecnie Instytut jest zaangażowany w modernizację Obserwatorium. W ścisłej współpracy międzynarodowej, w IFJ PAN zmontowano i przetestowano 228 modułów detektorów scyntylacyjnych. Detektory te wydatnie poprawią dokładność wyznaczania składu promieni kosmicznych o ultra-wysokich energiach.

Wyniki aktualnych pomiarów opisano w dwóch artykułach naukowych - pierwszy pt. „Features of the Energy Spectrum of Cosmic Rays above 2.5 × 10¹⁸ eV using the Pierre Auger Observatory” opublikowano w Physical Review Letters 125, 121106 (2020). Drugi natomiast trafił pod tytułem „Measurement of the cosmic-ray energy spectrum above 2.5 × 10¹⁸ eV using the Pierre Auger Observatory” do wydania Physical Review D 102, 062005 (2020).

Źródło: Instytut Fizyki Jądrowej PAN