Telescope Array erkennt kosmische Strahlung mit der zweithöchsten Energie aller Zeiten

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.

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.

Am 27. Mai 2021 entdeckte das Telescope Array-Experiment die zweithöchste kosmische Strahlung mit extremer Energie. Bei 2,4 x 1020 eV entspricht die Energie dieses einzelnen subatomaren Teilchens dem Fall eines Ziegelsteins aus Hüfthöhe auf den Zeh. Unter der Leitung der University of Utah (U) und der University of Tokyo nutzte das Experiment das Telescope Array, das aus 507 Oberflächendetektorstationen besteht, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind, das 700 km2 (~270 Meilen2) außerhalb von Delta, Utah, abdeckt. in der Westwüste des Staates.

Das Ereignis löste 23 Detektoren im nordwestlichen Bereich des Telescope Array aus, die sich über eine Fläche von 48 km2 (18,5 mi2) erstreckten. Seine Ankunftsrichtung schien aus der Lokalen Leere zu stammen, einem leeren Raumbereich, der an die Milchstraße grenzt.

„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 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 wäre, um es zu erzeugen. Das ist das Geheimnis daran – was zum Teufel ist los?“

In ihrer Beobachtung veröffentlicht im Tagebuch Wissenschafteine internationale Forscherkooperation, beschreibt die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, bewertet ihre Eigenschaften und kommt 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.

„Diese Ereignisse scheinen von völlig unterschiedlichen 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 könnte sich um Defekte in der Struktur der Raumzeit oder um kollidierende kosmische Strings handeln. Ich meine, ich breche nur verrückte Ideen aus, die den Leuten einfallen, weil es keine konventionelle Erklärung gibt.“

Natürliche Teilchenbeschleuniger

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.

Ultrahochenergetische kosmische Strahlung muss 5 x 1019 eV überschreiten. Das bedeutet, dass ein einzelnes subatomares Teilchen die gleiche kinetische Energie trägt wie der Fastball eines Major-League-Pitchers und mehrere zehn 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 Wirkung der Wechselwirkungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Energie entzieht.

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. Die 2,4 x 1020 eV des neuen Teilchens und die 3,2 x 1020 eV des Oh-My-God-Teilchens übertreffen den Grenzwert deutlich.

Forscher analysieren auch die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, um Hinweise auf ihren Ursprung zu finden. Ein schwereres Teilchen, wie zum Beispiel Eisenkerne, ist schwerer, hat mehr Ladung und ist anfälliger für Biegungen in einem Magnetfeld als ein leichteres Teilchen, das aus Protonen eines Wasserstoffatoms besteht. 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 1020 Elektronenvolt eine signifikante Krümmung zu erzeugen“, sagte Belz. „Es ist ein echtes Mysterium.“

Den Footprint vergrößern

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 auf einer Fläche von 2.900 km2 (1.100 mi2) messen, einer Fläche, die fast der Größe von Rhode Island entspricht. Der größere Footprint wird hoffentlich mehr Ereignisse erfassen, die Licht auf das Geschehen werfen.