O nouă caracteristică a spectrului energetic al razelor cosmice de energie ultra-înalta descoperită de Colaborarea Pierre Auger

Ilustrație artistică a unei jerbe atmosferice de particule inițiate în cascadă de o rază cosmică la Ob-servatorul Pierre Auger. Credit: A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret
Ilustrație artistică a unei jerbe atmosferice de particule inițiate în cascadă de o rază cosmică la Observatorul Pierre Auger. Credit: A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret

Spectrul energetic al celor mai energetice particule din Univers, raze cosmice de energie ultra înalta, este măsurat la Observatorul Pierre Auger cu o precizie fără precedent. În plus față de bine cunoscuta caracteristică a spectrului sub denumirea de “gleznă”, la o energie mai înalta este gasită o nouă întrerupere spectrală. Această nouă întrerupere în spectrul de energie poate fi explicată de o dependență a masei particulelor primare față de energie. Rezultatele Colaborării Pierre Auger sunt publicate în două noi articole (Phys. Rev. Lett. 125, 121106, 2020 și Phys. Rev. D 102, 062005, 2020) . 

Această determinare a spectrului energetic este unică, deoarece utilizează o expunere fără precedent, de peste 60000 km2 sr yr. Deasemeni, metoda de determinare a spectrului nu conține ipoteze despre compoziția de masă a particulei cosmice primare, sau detalii despre fizica interacțiilor hadronice ce au loc în timpul dezvoltării unei jerbe de particule secundare în atmosferă.

Razele cosmice de energie ultra-înalta (UHECRs – Ultra High Energy Cosmic Rays) sunt particule care ating energii de până la 1020 eV, cele mai înalte energii ale unor particule individuale cunoscute în Univers. Cu tehnologia disponibilă în prezent, acceleratorul LHC (Large Hadron Collider) ar trebui scalat la mărimea orbitei planetei Mercur pentru a putea accelera particule la aceste energii. Fluxul acestor particule este extrem de mic. Mai puțin de o particulă pe secol ajunge pe o suprafață de un kilometru pătrat. Procesele astrofizice care accelerează aceste particule la energii atât de mari, precum și sursele acestor emisii, sunt înca unele dintre misterele neelucidate ale Universului.

Colaborarea Pierre Auger, care reunește aproximativ 400 de oameni de știintă din 17 țări din întreaga lume, operează cel mai mare observator pentru radiații cosmice din lume: un detector hibrid realizat din peste 1600 de stații de suprafață, detectori bazați pe efectul Cerenkov, care acoperă o arie de 3000 km2. Această suprafață este observată și de 27 telescoape de fluorescență. Împreuna, toate aceste instrumente furnizează măsurători calorimetrice ale energiei jerbelor atmosferice și o evaluare indirectă a masei particulei primare care generează aceste jerbe. Combinând informația dată de spectrul energetic, compoziția de masă și distribuția direcției de sosire observată, pot fi derivate constrângeri importante asupra locației surselor acestor particule extraordinare.

Spectrul de energie al UHECRs a putut fi determinat cu o statistică foarte bună, deoarece au fost utilizate toate evenimentele înregistrate de Observatorul Pierre Auger până acum. Datorită acestei precizii fără precedent a măsurătorilor, o nouă caracteristică a spectrului, o întrerupere la aproximativ 1.3 * 1019 eV a putut fi identificată. Rezultatele sunt raportate în două publicații recente ale Colaborării Pierre Auger (Phys. Rev. Lett. 125, 121106, 2020 și Phys. Rev. D 102, 062005, 2020) și sunt illustrate în Figura 1, care arată o posibilă interpretare a fluxului observat și a compoziției de masă a UHECRs într-un scenariu în care sursele injectează particule cu o compoziție de masă dependentă de energie. Exemplul arătat în Figura 1 reprezintă o clasă particulară de modele, în care accelerarea particulelor depinde numai de rigiditatea lor (energia împărțită la sarcină). Ambundența elementelor chimice pare să fie dominată de nuclee cu masă intermediară, care sunt emise de surse cu un spectru de energie cu o pantă abruptă, care este apoi modificat de efectele propagării extragalactice. Într-un astfel de scenariu model, noua caracteristică din spectru ar apărea în mod natural datorită schimbării compoziției care apare la energiile respective.

Spectrul de energie observat determină deasemenea și densitatea de energie injectată sub forma de particule UHECRs de către sursele cu emisie continuă în spațiul extragalactic. Există câteva clase de Nuclee Galactice Active și Galaxii “Starburst”, pentru care au fost obținute indicații de anizotropie în direcțiile de sosire ale UHECRs, publicate în alte lucrări ale Colaborării Pierre Auger, care pot furniza această rată de energie. Această corelație reprezintă un important pas în identificarea surselor UHECRs.

Observatorul Pierre Auger se află momentan într-o etapă de modernizare de anvergură care constă în adăugarea de detectori scintilatori și antene radio deasupra fiecărei stații existente de detectori Cerenkov. Această modernizare va permite oamenilor de știință să obțină mai multe informații despre compoziția de masă a UHECRs, extinzând aceste studii la energiile cele mai înalte. La aceste energii, o posibilă prezență a nucleelor ușoare poate deschide o nouă fereastră către dezvoltarea unei metode, de căutare a surselor și de investigare a câmpurilor magnetice, sensibilă la compoziție.

România a aderat cu drepturi depline la Colaborarea Pierre Auger în 2014. Contribuția sa actuală la Auger vine din partea a trei instituții, precum: Institutul de Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH), Institutul de Științe Spațiale (ISS) și Universitatea Politehnica București (UPB). Înca din 2019, detectorii de fluorescență ai Observatorului Pierre Auger sunt monitorizați și operați integral, în baza unui plan de măsurători al colaborării, și de la distanță din România, de la ISS, care este “de la Măgurele, cu un pas mai aproape de experimentul din pampasul Argentinian”. Grupul Auger din ISS contribuie și la producția de simulări masive ale evenimentelor măsurate la Auger, utilizând calculul performant și distribuit din Organizatia Virtuala Auger GRID, precum și la diseminarea și conștientizarea fizicii studiate la Auger, contribuind astfel și la educație prin știință.

Figura 1. Fluxul tuturor particulelor cosmice cu energii ultra înalte măsurate la Observatorul Pierre Auger, scalat cu E3. Datele experimentale sunt comparate cu un model reprezentativ pentru surse, ilustrând corelația dintre energia la care se manifestă noua caracteristică spectrală, și compoziția de masă a particulelor primare dependentă de energie.

Persoană de contact: Dr. Gina Isar <gina.isar[at]spacescience.ro>, Responsabil Instituțional (ISS) Auger

This post is also available in: Engleză