Il Telescopio Array rileva il secondo raggio cosmico con l'energia più alta di sempre

23 novembre 2023

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presso l'Università di Utah

Nel 1991, l'esperimento Fly's Eye dell'Università di Utah ha rilevato il raggio cosmico ad alta energia mai osservato prima. Successivamente soprannominata particella Oh-My-God, l'energia del raggio cosmico ha sorpreso gli astrofisici. Nella nostra galassia non c'era la potenza necessaria per produrlo e la particella aveva più energia di quella teoricamente possibile per i raggi cosmici che viaggiano verso la Terra dalle altre galassie. In poche parole, la particella non dovrebbe esistere.

Dal momento dell'osservazione degli ultra-alta energia dei raggi cosmici, il Telescopio Array ne ha rilevati più di 30, sebbene nessuno si avvicini all'energia del raggio Oh-My-God. Fino ad ora nessuna osservazione ha rivelato la loro origine o come riescano a viaggiare verso la Terra.

Il 27 maggio 2021, l'esperimento Telescopio Array ha rilevato il secondo raggio cosmico ad altissima energia. Con un'energia di 2,4 x 1020 eV, l'energia di questa singola particella subatomica è equivalente a far cadere un mattone sul tuo piede da un'altezza di vita. Diretto dall'Università di Utah (l'U) e dall'Università di Tokyo, l'esperimento ha utilizzato il Telescopio Array, che consiste in 507 stazioni di rilevamento superficiali disposte in una griglia quadrata che copre 700 km2 (~270 miglia2) fuori da Delta, Utah, nel deserto occidentale dello stato.

L'evento ha attivato 23 rilevatori nella regione nord-ovest del Telescopio Array, diffondendosi su 48 km2 (18,5 mi2). La sua direzione di arrivo sembrava provenire dal Vuoto Locale, una zona vuota dello spazio che confina con la galassia della Via Lattea. La traccia registrata e l'animazione dell'evento della particella estremamente energetica, soprannominata particella 'Amaterasu'. Credito: Osaka Metropolitan University

'Le particelle sono così ad alta energia che non dovrebbero essere influenzate dai campi magnetici galattici ed extragalattici. Dovresti essere in grado di individuare da dove provengono nel cielo', ha detto John Matthews, uno dei portavoce del Telescopio Array presso l'U e co-autore dello studio. 'Ma nel caso del raggio Oh-My-God e di questa nuova particella, tracci la sua traiettoria fino alla sua fonte e non c'è nulla con un'energia così elevata in grado di averla prodotta. Questo è il mistero: cosa sta succedendo?'

Nella loro osservazione pubblicata sulla rivista Science, una collaborazione internazionale di ricercatori descrive il raggio cosmico ad altissima energia, valuta le sue caratteristiche e conclude che questi rari fenomeni potrebbero seguire una fisica delle particelle sconosciuta alla scienza.

I ricercatori lo hanno chiamato particella Amaterasu, dal nome della dea del sole nella mitologia giapponese. I raggio Oh-My-God e Amaterasu sono stati rilevati utilizzando diverse tecniche di osservazione, confermando che, sebbene rari, questi eventi ad altissima energia sono reali.

'Questi eventi sembrano provenire da luoghi completamente diversi nel cielo. Non è come se ci fosse una singola misteriosa fonte', ha detto John Belz, professore presso l'U e co-autore dello studio. 'Potrebbero essere difetti nella struttura dello spazio-tempo, stringhe cosmiche in collisione. Voglio dire, sto solo sparando idee pazzesche che le persone stanno suggerendo perché non c'è una spiegazione convenzionale.'

I raggi cosmici sono echi di violenti eventi celesti che hanno spogliato la materia delle sue strutture subatomiche e l'hanno lanciata nell'universo a una velocità prossima a quella della luce. Essenzialmente, i raggi cosmici sono particelle cariche con una vasta gamma di energie composte da protoni positivi, elettroni negativi o nuclei atomici interi che viaggiano nello spazio e cadono sulla Terra quasi costantemente.

I raggi cosmici colpiscono l'atmosfera superiore della Terra e fanno esplodere il nucleo del gas ossigeno e azoto, generando molte particelle secondarie. Queste percorrono una breve distanza nell'atmosfera e ripetono il processo, creando una pioggia di miliardi di particelle secondarie che si spargono sulla superficie. L'impronta di questa cascata secondaria è enorme e richiede che i rilevatori coprano un'area grande come il Telescopio Array. I rilevatori di superficie utilizzano un insieme di strumenti che forniscono ai ricercatori informazioni su ciascun raggio cosmico; il momento del segnale mostra la sua traiettoria e la quantità di particelle cariche che colpiscono ciascun rilevatore rivela l'energia della particella 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