小于原子的粒子幾乎以光速穿過宇宙，從宇宙中某處的某處爆炸進入太空。皮埃爾·俄格天文臺的一次科學合作，包括特拉華大學的研究人員，以前所未有的精度測量了其中最強大的粒子-超高能宇宙射線。通過這樣做，他們發(fā)現(xiàn)了能譜中的“紐結”，使這些亞原子太空旅行者的可能起源發(fā)出了更多的光。

該小組的發(fā)現(xiàn)基于對過去十年中阿根廷皮埃爾·奧格天文臺記錄的能量超過2.5兆電子伏特(eV)的215,030條宇宙射線事件的分析。它是世界上最大的研究宇宙射線的天文臺。

新的光譜特征是宇宙射線能量譜中約13億億電子伏特的扭結，它所代表的點超過了圖中的點。UD物理與天文學系Bartol研究所助理教授Frank Schroeder指出，這使人類更接近解決自然界中最高能粒子的奧秘，他在大學的支持下參與了這項研究特拉華研究基金會。這項研究發(fā)表在《物理評論快報》和《物理評論D》上。

“自從100年前發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來，長期以來一直存在的問題是，是什么促使這些粒子加速?” 施羅德說。“ Pierre Auger Collaboration的測量結果為我們可以排除哪些物質提供了重要提示。從以前的工作中，我們知道加速器不在我們的銀河系中。通過最新的分析，我們可以進一步證實我們先前的跡象表明超高能宇宙射線不僅是氫的質子，而且是來自較重元素的核的混合物，這種成分隨能量而變化。”

在“腳踝”和“腳趾”之間

Schroeder和UD博士后研究員Alan Coleman為Pierre Auger協(xié)作開展了多年的研究，他為數(shù)據(jù)分析做出了貢獻。UD于2018年以機構成員身份正式加入合作。該團隊由來自17個國家/地區(qū)的400多名科學家組成，負責運行該天文臺，該天文臺面積約1,200平方英里，約合Rhode Island。

該天文臺有1600多個探測器，稱為水切倫科夫站，分布在潘帕阿馬里拉(黃色草原)的高平原上，被27臺熒光望遠鏡所忽略。這些儀器共同測量超高能宇宙射線粒子在大氣中釋放的能量，并對其質量進行間接評估。所有這些數(shù)據(jù)(能量，質量以及這些非凡粒子到達的方向)都提供了有關其起源的重要線索。

以前，科學家認為這些超高能宇宙射線粒子主要是氫的質子，但最新的分析證實，粒子具有核的混合物，例如比氧或氦重的原子核，例如硅和鐵。

在代表宇宙射線能譜的曲線圖上繪制，您可以看到科學家稱為“腳踝”的區(qū)域與圖的起點(稱為“腳趾”)之間的扭結(一個陡峭，平坦的部分)。 。”

“我們沒有一個特定的名字，”科爾曼說。他是一個由20人組成的團隊，負責編寫計算機代碼，并對大量數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)字運算。他開玩笑說：“我想我們已經用盡了部分解剖結構來稱呼它。”

直接與該發(fā)現(xiàn)有關的是，科爾曼改進了粒子級聯(lián)的重建，該粒子級聯(lián)是在撞擊大氣時產生的宇宙射線，以便估算能量。他還進行了詳細的研究，以確保這個新的拐點是真實的，而不是檢測器的偽影。數(shù)據(jù)組的工作花了兩年多的時間。

科爾曼談到頻譜糾纏時說：“顯然，它很小。” “但是每當您看到這樣的顛簸時，就表明物理學正在發(fā)生變化，這非常令人興奮。”

科爾曼說，很難確定入射的宇宙射線的質量。但是，這項合作的測量是如此穩(wěn)健而精確，以至于現(xiàn)在可以消除許多其他有關超高能宇宙射線來自何處的理論模型，而其他途徑則可以更加有力地探索。

活躍的星系核(AGN)和星爆星系目前正在作為潛在來源。雖然它們的典型距離約為1億光年，但有一些候選物位于2000萬光年以內。

科爾曼說：“如果我們知道了消息來源是什么，我們可以調查正在發(fā)生的事情的新細節(jié)。” 發(fā)生了什么事使這些高能量得以發(fā)生?這些粒子可能來自我們什至不知道的東西。”

UD團隊正在進行的研究著重于進一步提高超高能宇宙射線的測量精度，并將對宇宙射線光譜的精確測量擴展到更低的能量。施羅德說，這將與其他實驗有更好的重疊，例如南極IceCube的宇宙射線測量，這是特拉華大學的另一項獨特的天體粒子觀測站。