El Observatorio Telescope Array detecta el segundo rayo cósmico de mayor energía jamás registrado.

23 de noviembre de 2023

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por la Universidad de Utah

En 1991, el experimento Fly's Eye de la Universidad de Utah detectó el rayo cósmico de mayor energía jamás observado. Más tarde apodada como la partícula Oh-My-God, la energía del rayo cósmico sorprendió a los astrofísicos. Nada en nuestra galaxia tenía el poder de producirla, y la partícula tenía más energía de la que teóricamente era posible para los rayos cósmicos viajando a la Tierra desde otras galaxias. En resumen, la partícula no debería existir.

Desde entonces, el Telescopio Array ha observado más de 30 rayos cósmicos de ultra alta energía, aunque ninguno se acerca a la energía de nivel Oh-My-God. Hasta ahora, ninguna observación ha revelado su origen ni cómo pueden viajar a la Tierra.

El 27 de mayo de 2021, el experimento Telescopio Array detectó el segundo rayo cósmico de energía extrema más alto. Con 2.4 x 1020eV, la energía de esta única partícula subatómica equivale a dejar caer un ladrillo sobre tu dedo del pie desde la altura de la cintura. Dirigido por la Universidad de Utah (la U) y la Universidad de Tokio, el experimento utilizó el Telescopio Array, que consta de 507 estaciones de detección en la superficie dispuestas en una cuadrícula cuadrada que cubre 700 km2 (~ 270 millas2) fuera de Delta, Utah, en el desierto occidental del estado.

El evento activó 23 detectores en la región noroeste del Telescopio Array, abarcando 48 km2 (18.5 mi2). Su dirección de llegada parecía ser desde el Vacío Local, una área vacía del espacio que limita con la galaxia de la Vía Láctea. La señal grabada y la animación del evento de la partícula extremadamente energética, apodada partícula 'Amaterasu'. Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka

"Las partículas tienen una energía tan alta que no deberían verse afectadas por los campos magnéticos galácticos y extragalácticos. Deberías poder señalar de dónde vienen en el cielo", dijo John Matthews, co-portavoz del Telescopio Array en la Universidad de Utah y coautor del estudio. "Pero en el caso de la partícula Oh-My-God y esta nueva partícula, trazas su trayectoria hasta su origen y no hay nada con suficiente energía alta para haberla producido. Ese es el misterio de esto, ¿qué diablos está pasando?"

En su observación publicada en la revista Science, una colaboración internacional de investigadores describe el rayo cósmico de ultra alta energía, evalúa sus características y concluye que los fenómenos raros podrían seguir una física de partículas desconocida para la ciencia.

Los investigadores la llamaron la partícula Amaterasu en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Las partículas Oh-My-God y Amaterasu se detectaron utilizando diferentes técnicas de observación, lo que confirma que, aunque raras, estos eventos de ultra alta energía son reales.

"Estos eventos parecen estar viniendo de lugares completamente diferentes en el cielo. No es como si hubiera una fuente misteriosa", dijo John Belz, profesor de la U y coautor del estudio. "Podrían ser defectos en la estructura del espacio-tiempo, cuerdas cósmicas en colisión. Quiero decir, estoy lanzando ideas locas que la gente está sugiriendo porque no hay una explicación convencional".

Los rayos cósmicos son ecos de eventos celestiales violentos que han despojado a la materia de sus estructuras subatómicas y la han lanzado a través del universo casi a la velocidad de la luz. Esencialmente, los rayos cósmicos son partículas cargadas con una amplia gama de energías que consisten en protones positivos, electrones negativos o núcleos atómicos completos que viajan a través del espacio y caen constantemente sobre la Tierra.

Los rayos cósmicos golpean la alta atmósfera de la Tierra y desintegran el núcleo del gas de oxígeno y nitrógeno, generando muchas partículas secundarias. Estas viajan una corta distancia en la atmósfera y repiten el proceso, construyendo una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan en la superficie. La huella de esta lluvia secundaria es masiva y requiere que los detectores cubran un área tan grande como el Telescopio Array. Los detectores de superficie utilizan una serie de instrumentos que brindan a los investigadores información sobre cada rayo cósmico; el cronometraje de la señal muestra su trayectoria y la cantidad de partículas cargadas que golpean cada detector revela la energía de la partícula primaria.

Because particles have a charge, their flight path resembles a ball in a pinball machine as they zigzag against the electromagnetic fields through the cosmic microwave background. It's nearly impossible to trace the trajectory of most cosmic rays, which lie on the low- to middle-end of the energy spectrum. Even high-energy cosmic rays are distorted by the microwave background. Particles with Oh-My-God and Amaterasu energy blast through intergalactic space relatively unbent. Only the most powerful of celestial events can produce them.

'Things that people think of as energetic, like supernova, are nowhere near energetic enough for this. You need huge amounts of energy, really high magnetic fields to confine the particle while it gets accelerated,' said Matthews.

Ultra-high-energy cosmic rays must exceed 5 x 1019 eV. This means that a single subatomic particle carries the same kinetic energy as a major league pitcher's fastball and has tens of millions of times more energy than any human-made particle accelerator can achieve.

Astrophysicists calculated this theoretical limit, known as the Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) cutoff, as the maximum energy a proton can hold traveling over long distances before the effect of interactions of the microwave background radiation takes their energy.

Known source candidates, such as active galactic nuclei or black holes with accretion disks emitting particle jets, tend to be more than 160 million light years away from Earth. The new particle's 2.4 x 1020 eV and the Oh-My-God particle's 3.2 x 1020 eV easily surpass the cutoff.

Researchers also analyze cosmic ray composition for clues of its origins. A heavier particle, like iron nuclei, are heavier, have more charge and are more susceptible to bending in a magnetic field than a lighter particle made of protons from a hydrogen atom. The new particle is likely a proton. Particle physics dictates that a cosmic ray with energy beyond the GZK cutoff is too powerful for the microwave background to distort its path, but back-tracing its trajectory points towards empty space.

'Maybe magnetic fields are stronger than we thought, but that disagrees with other observations that show they're not strong enough to produce significant curvature at these 1020 electron volt energies,' said Belz. 'It's a real mystery.'

The Telescope Array is uniquely positioned to detect ultra-high-energy cosmic rays. It sits at about 1,200 m (4,000 ft), the elevation sweet spot that allows secondary particles maximum development, but before they start to decay. Its location in Utah's West Desert provides ideal atmospheric conditions in two ways: the dry air is crucial because humidity will absorb the ultraviolet light necessary for detection; and the region's dark skies are essential, as light pollution will create too much noise and obscure the cosmic rays.

Astrophysicists are still baffled by the mysterious phenomena. The Telescope Array is in the middle of an expansion that that they hope will help crack the case. Once completed, 500 new scintillator detectors will expand the Telescope Array will sample cosmic ray-induced particle showers across 2,900 km2 (1,100 mi2 ), an area nearly the size of Rhode Island. The larger footprint will hopefully capture more events that will shed light on what's going on.

Journal information: Science

Provided by University of Utah