1991 년 10 월 15 일 밤,“Oh-My-God”입자는 유타 하늘을 가로 질러 줄어 들었습니다.
우주에서 우주 광선으로, 320 개의 엑사-전자 볼트 (EEV)의 에너지를 보유하고 있으며, 인간이 지은 가장 강력한 가속기 인 대형 Hadron Collider에서 입자보다 수백만 배 더 많은 수백만 배 더 많았습니다. 입자는 너무 빨리 가서 1 년 동안 빛을 가진 경주에서 수천 분의 1의 머리카락에 의해 잃어 버렸을 것입니다. 그 에너지는 발가락에 떨어진 볼링 볼의 에너지와 같습니다. 그러나 볼링 볼에는 별이있는만큼 많은 원자가 들어 있습니다. 유타 대학교의 천체 물리학자인 데이비드 키다 (David Kieda)는“아무도 단일 입자에 너무 많은 에너지를 집중시킬 수 있다고 생각한 사람은 아무도 없다”고 말했다.
무너진 곳에서 5 마일 정도 떨어진 연구원은 사막 산 꼭대기에 주차 된 오래된 쥐에 감염된 트레일러 안에서 그의 변화를 일으켰습니다. 이전에 황혼에 Mengzhi“Steven”Luo는 Fly 's Eye Detector의 컴퓨터를 켜고, 불모의지면을 바깥쪽에 점령 한 수십 개의 구형 거울을 켰습니다. 각 거울은 암거의 한 부분에서 회전하는“캔”내부에 볼트로 고정되었으며, 하루 종일 아래쪽으로 향하여 태양이 센서를 날려 버리지 않도록합니다. 어둠이 맑고 달이없는 밤에 떨어지면서 루오는 캔을 하늘쪽으로 굴 렸습니다.
Luo와 다른 여러 사람들과 함께 파리의 눈을 운영 한 Kieda는“이것은 매우 조잡한 실험이었습니다. "그러나 그것은 효과가있었습니다. 그게 그랬습니다."
OH-MY-GOD 입자의 희미하게 빛나는 콘트 레일 (컴퓨터 프로그래머와 Autodesk의 창립자 인 John Walker는 초기 웹 기사에서이를 더빙했을 때)이 다음 여름에 플라이의 눈 데이터에서 발견되었으며 그룹이 1 년 동안 신호를 설득 한 후 1 년을 보냈다. 입자는 Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin 및 Vadim Kuzmin에 의해 수십 년 전에 우주 속도 제한을 끊었습니다. 이 "GZK 컷오프"는 OH-MY-GOD 입자가 최근 및 근처에서 출발했을 것임을 시사했습니다. 그러나 이러한 입자를 생산하려면 상상되지 않은 크기와 전력의 천체 물리학 가속기가 필요합니다. 과학자들이 입자가 오는 방향을 보았을 때, 그들은 그 종류의 것을 볼 수 없었습니다.
Kieda는“뒷마당에 볼링 공을 던지는 뒷마당에 고릴라가있는 것 같지만 그는 보이지 않습니다.”라고 Kieda는 말했습니다.
OH-MY-GOD 입자는 어디에서 왔습니까? 어떻게 존재할 수 있습니까? 정말 했어? 이 질문은 천체 물리학 자들이 60 EEV 컷오프 위의 수백 개의 "트랜스 -GZK"이벤트를 포함하여 1 EEV 이상의 에너지가있는 수십만 명이 더 많은 "초고 에너지 우주 광선"을 기록한 더 크고 더 정교한 탐지기를 구축하도록 동기를 부여했습니다 (320 EEV에 도달하지 않음). GZK 속도 제한을 깨뜨릴 때,이 입자들은 지금까지 가장 먼 예측 중 하나에 도전했습니다. 그들이 도달 할 수없는 척도로 물리 법칙에 대한 창을 제공 할 수있는 것처럼 보였습니다. 아마도 입자 물리학을 코스모스의 진화와 연결하는 것도 마찬가지입니다. 최소한, 그들은 망원경 렌즈에서 반짝이는 특별한 천체 물리적 물체의 작동을 밝히겠다고 약속했습니다. 그러나 수년에 걸쳐, 입자가 모든 방향으로 센서를 가로 지르는 빛의 브러시 스트로크를 휩쓸었을 때, 예를 들어, 초대형 블랙홀의 위치와 일치 할 수있는 텔레 패턴을 칠하거나 은하를 충돌시킬 수있는 그들은 혼란을 일으켰습니다. Ultrahigh-Energy Cosmic Rays를 전문으로하는 Pennsylvania State University의 반 유형 천체 물리학자인 Paul Sommers는“특정 이론으로 우주선 데이터를 설명하기가 어렵습니다. "제안하는 것에 문제가 있습니다."
최근에만 하늘에서 우주 광선 "핫스팟"이 발견되면서 관련 고 에너지 우주 입자를 감지하고보다 친숙한 에너지에서 물리학에 대한 이해를 높이면서 연구원들은 Ultrahigh-Energy Cosmic Ray를 이해하기위한 첫 번째 발판을 확보했습니다. 시카고 대학교의 이론적 천체 물리학자인 팀 린든 (Tim Linden)은“우리는 일을 매우 빠르게 배우고있다”고 말했다.
발목 문제
수천 개의 우주 광선이 매 초마다 지구의 분위기의 평방 피트마다 폭격 을가했지만, 1910 년대 초반 일련의 대담한 핫 공기-균형이 타기까지 발견을 피할 수있었습니다. 오스트리아 물리학 자 빅터 헤스 (Victor Hess)가 대기로 마일을 올라 가면서, 그는 이온화 방사선의 양이 고도에 따라 증가한다는 것을 관찰했다. Hess는 일식 중에도 전기 하전 입자의 이러한 버즈를 측정하여 많은 부분이 태양을 넘어서서 많은 것을 확립했습니다. 그는 1936 년 그의 노력으로 물리학 상을 받았습니다.
우주 광선은 알려진 바와 같이 모든 방향에서 지구의 자기장을 통해 그리고 매끄러운 에너지가 퍼져 있습니다. (해수면에서 우리는 대기를 통과하는 우주 광선 충돌로 생성 된 저에너지, 2 차 방사선을 경험합니다.) 대부분의 우주 광선은 단일 양성자, 원자 핵의 양으로 하전 된 빌딩 블록입니다. 나머지 대부분은 더 무거운 핵이고 일부는 전자입니다. 우주 광선이 더 활력이 높을수록 더 드물다. 가장 희귀 한 것은“울트라 에너지”로 표시되고 1 EEV를 초과하는 가장 희귀 한 사람들은 지구의 각 평방 킬로미터를 세기에 한 번만 공격합니다.
에너지에 따라 탐지기를 뿌리는 우주 광선의 수를 플로팅하면 에너지 스펙트럼의 "무릎"과 "발목"의 두 가지 굽힘이있는 하향 슬로핑 라인이 생성됩니다. 이것들은 다른 유형의 우주 광선으로의 전환 또는 점차 더 크고 강력한 소스로 전환하는 것처럼 보입니다. 문제는 어떤 유형 및 어떤 출처입니까?
입니다많은 전문가들과 마찬가지로 독일의 우퍼 탈 대학의 천체 물리학 교수이자 세계 최대의 울트라 에너지 우주 광선 탐지기 인 피에르 오거 전망대의 대변인 인 칼-하인즈 캄퍼 트 (Karl-Heinz Kampert)는 우주 레이스 (Cosmic Rays)가 수퍼 니코 스케일 (Grander scale)의 소닉 붐과 같은 무언가에 의해 가속되고 있다고 믿고 있습니다. Kampert는 "우주에서 어떤 규모의 규모에서 찾을 수있는 기본 과정"이라고 불렀다. Kampert는 태양 플레어에서 스타 폭발 (초신 바스), 펄서라고 불리는 신속하게 회전하는 별에 이르기까지 활성 은하 핵으로 알려진 신비 롭고 슈퍼 브라이트 갤럭시에서 빠르게 회전하는 거대한 엽에 이르기까지 빠르게 회전하는 별에 이르기까지 말했다. 모두 가열 된 물질 (또는 "플라즈마")의 경우 소리의 속도보다 빠르게 흐르면서 양성자와 다른 입자의 빵 껍질을 축적하는 충격파가 팽창합니다. 입자는 충격파를 가로 질러 앞뒤로 반사되어 혈장의 자기장과 테이블과 패들 사이의 작은 공을 빙빙하는 것처럼 빈 공간의 진공 사이에 갇혀 있습니다. 입자는 모든 바운스마다 에너지를 얻습니다. Kampert는“그러면 탈출 할 것입니다. 그리고 우주를 통과하여 실험에 의해 감지됩니다.”
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Quanta 잡지의 Emily Fuhrman
우주 광선은 "충격 가속도"를 통해 활력을 불어 넣을 가능성이 높으며, 이는 혈장이 소리의 속도보다 더 빨리 흐를 때 생성되는 충격파를 가로 질러 앞뒤로 반영됩니다. 혈장의 자기장이 더 강하고 클수록 입자에 더 많은 에너지를 부여 할 수 있습니다. 울트라 에너지 우주 광선은 1 엑사-전자 볼트 (EEV)를 능가한다.
그러나 다른 충격파를 우주선 에너지 스펙트럼의 일부에 맞추려고 노력하면 천체 물리학자가 흔들리는 땅에 있습니다. 그들은 무릎과 발목이 우리 은하에서 가장 강력한 가속기 인 초신성의 충격파에서 양성자와 무거운 핵 (각각)이 가장 높은 지점을 표시 할 것으로 기대합니다. 계산에 따르면 양성자는 약 0.001 EEV를 최대로 내려야하며 실제로는 무릎과 일치합니다. 초신성 충격파의 무거운 핵은 0.1 EEV에 도달 할 수있는 것으로 생각되며,이 숫자는 예상되는 전환이 더 강력한 "초재"우주 광선의 공급원을 가리 킵니다. 이들은 은하수 나 대부분의 다른 은하에서 발견되지 않고 은하계 크기가 될 수있는 단일 물체의 충격파입니다. 그러나 Sommers는“분명한 전환이있는 것처럼 보이는 유일한 곳”은 스펙트럼의 측정 된 발목이 은하의 우주 광선의 이론 최대 값을 지나서 5 개 정도 약 5 EEV에 있다고 말했다. 아무도 불일치로 무엇을 만들어야할지 확신하지 못합니다.
발목을 지나서 약 60 EEV에서 선은 0으로 넘어져 일종의 발가락을 형성합니다. 이것은 아마도 GZK 컷오프 , 일 것입니다 우주 광선이 초기 우주에서 위상 전이에 의해 생성 된 주변 우주 전자 레인지에 에너지를 잃기 전에 오랫동안 지체 할 수있는 지점. Kampert가 우주 광선에 대한“유일한 확고한 예측”이라고 부르는 컷오프의 존재는 2007 년 Fly의 눈의 후계자 인 High Resolution Fly의 눈 실험 또는 고용에 의해 설립되었습니다. 거기에서 에너지 스펙트럼은 단일 데이터 포인트와 함께 320 eEV에서 트랜스 -GZK 우주 광선의 물방울로 줄어 듭니다.
GZK 컷오프의 존재는 물리 법칙이 예상대로 작동한다는 것을 의미합니다. 트랜스 -GZK 우주 광선은 이러한 법을 반증하는 대신 아마도 근처에서 발생할 수 있습니다 (주변 전자 레인지가 에너지를 수집하기 전에 지구에 도달). 그러나 어디서, 어떻게? 20 년 동안, 입자는 어디에서나 어디에서나 나오는 것처럼 보였다. 그러나 마지막으로 북반구에서 핫스팟이 발전했습니다. 이것이 지구를 향해 볼링 볼을 아프게하는 보이지 않는 고릴라 일 수 있습니까?
더 뜨거워지기
오리지널 플라이의 눈 부지에서 차로 3 시간 거리에있는 유타에서는 최신 후손이 사막을 가로 질러 솟아납니다. 762 - 망원경 어레이라고하는 검출기의 제곱 방향 그리드. 이 실험은 2008 년부터 울트라 에너지 우주 광선이 제작 한 수십억 개의 입자“에어 샤워”를 추적하고 있습니다.“우리는 몇 년 동안 통계적 중요성의 핫스팟 증가를 지켜 왔습니다.
Constellation Ursa Major를 중심으로하는 Trans-GZK Cosmic Rays의 핫스팟은 처음에는 너무 약해서 심각하게 취해졌습니다. 그러나 지난 한 해 동안“Four Sigma”의 통계적 중요성에 도달하여 99.994 %의 확률로 현실이 될 수있었습니다. Thomson과 그의 팀은 발견을 확실하게 주장하기 위해 5 시그마 확실성에 도달해야합니다. (Thomson은 6 월에 나오는 그룹의 다음 데이터 분석에서 발생하기를 희망합니다.) 이미 이론가들은 핫스팟을 아이디어의 앵커로 취급하고 있습니다.
Linden은“정말 흥미 롭습니다. 그는 더 많은 데이터를 통해 소스의 위치를 핫스팟 내에서 정확히 지적 할 수 있다고 설명했다 (은하계와 지구의 자기장을 통과 할 때 우주 광선의 편향에 의해 번식된다). 그는 하늘의 같은 지점에서 나오는 다른 유형의 입자를 추적함으로써“소스가 많은 규모의 에너지에 걸쳐 어떻게 작동하는지에 대한 모델을 가지고있다”고 말했다. 보이지 않는 고릴라는 구체화 될 것입니다.
한편, 다른 입자들 중 일부는 남극 아래에 묻힌 얼음의 케이블 주입 입방 킬로미터 블록 인 아이스 큐브 탐지기의 센서에 천천히 쌓이고 있습니다. 지난 4 년간, 아이스 큐브는 중성미자의 희귀 한 얼음 트랙을 모니터링하여 일반적으로 물질을 통해 바로 피를 흘려서 감지하려는 엄청난 노력이 필요하지만 우주 전체의 물리적 과정에서 풍부하게 생성되는 경량의 노력이 필요합니다.
.너무나 자주, 우주 중성미자는 원자와 상호 작용하고 Icecube를 통과 할 때 방사선을 생성합니다. 그들의 여행 방향은 Ultrahigh-Energy 우주 광선의지도와 빛의지도와 비교할 수있는 코스모스의 새로운지도를 추적합니다. 2013 년, 아이스 큐브 과학자들은 최초의 매우 높은 에너지 중성미자 (“버트”와“에르니”라는 별명의 0.001-EEV 입자 쌍의 최초의 매우 높은 에너지 중성미자의 관찰을보고했으며, 이는 초고 에너지 우주 쇄를 생산하는 동일한 소스에서 나왔을 수 있습니다. 중성미자는 우주에서 가장 강력한 대상의 메신저로서 우주 광선보다 큰 이점을 가지고 있습니다. 전기적으로 중립적이기 때문에 직선으로 움직입니다. 아이스 큐브 대변인 스웨덴의 웁살라 대학교 (Uppsala University)의 올가 보너 (Olga Botner)는“중성미자가 우리에게 방해받지 않고 우리에게 여행을 떠나기 때문에 우주에서 새로운 창을 열 수있을 것입니다.
IceCube가 최신 분석 , 에 따라 감지 한 54 개의 고 에너지 중성미자 중 5 월 초에보고 된 4 개는 우주선 핫스팟 인근에서 비롯됩니다. (중성미자는 북부 하늘에서 지구를 통과 한 후 탐지기에 들어갈 수 있습니다.) Linden이 설명 했듯이이“상관 관계의 힌트”는 단서가 될 수 있습니다. 우주 광선은 중성미자보다 지구에 도착하는 데 시간이 더 걸리므로 일반적인 출처는 수년 동안 에너지 입자를 펌핑해야했을 것입니다. 감마선 버스트와 같은 단기 소스 후보자는 안정적인 물체를 선호하여 배제 될 것입니다. Linden은“향후 몇 년 동안 우리는 더 많은 중성미자를 얻을 것이며,이 상관 관계가 어떻게 진행되는지 볼 것입니다. 그러나 지금은 상관 관계가 매우 약합니다. "나는 땅에 발을 쥐고 있지 않다"고 말했다.
우주 광선과 중성미자와 함께 우주의 "감마 광선"(고 에너지 광자)은 앞으로 몇 년 동안 세 번째 메신저로 사용될 것입니다. 그것들은 코스마크 광선의 아버지를 기리기 위해 나미비아의 Hess (고 에너지 입체 시스템) 실험을 포함한 여러 주요 검색의 주제와, 전 비행의 과학자 인 Kieda가 작동하는 애리조나에서 Veritas (매우 활기찬 방사선 이미징 망원경 어레이 시스템)를 포함하여 를 포함합니다. 우주선, 중성미자 및 감마선 데이터의 조합은 우주에서 가장 강력한 가속기에 대한 천체 물리학 자의 그림을 찾아 날카롭게하는 데 도움이됩니다. 검색은 핫스팟 주위에서 정리됩니다.
Thomson은 은하계와 암흑 물질이 우주 전체에 걸쳐 흘러 나오는“필라멘트”라고 불리는 달의 실에 돈을 가지고 있으며, 수억에 달하는 수백만 광년에 존재하는 가장 큰 구조 중 하나입니다. 핫스팟 방향에는 필라멘트가 있습니다. Thomson은“아마도 필라멘트에있을 것입니다. 어쨌든 그는 다음과 같이 덧붙였습니다.“우리는 지금 흥미로운 곳을 볼 수있는 아이디어가 있습니다. 그리고 우리가해야 할 일은 더 많은 데이터를 수집하는 것입니다.”
수영장 배수
Pierre Auger Observatory의 Kampert는 다른 방향에서 Ultrahigh-Energy Cosmic 광선의 미스터리에 다음과 같이 묻습니다.
일부 천체 물리학 자들은 오거 천문대가“운이 좋지 않았다”고 말합니다. 아르헨티나 초원의 3,000 평방 킬로미터를 덮고있는 망원경 어레이보다 훨씬 더 많은 데이터를 수집하지만 남반구에는 북쪽의 두드러기 근처의 핫스팟이 보이지 않습니다. 하늘에서 약간의 농도의 트랜스 -GZK 우주 광선의 증거를 발견하여 Centaurus A라는 활성 은하 핵과 다른 필라멘트가 오버레이됩니다. 그러나 Kampert는 Auger 가이 소위“Warmspot”이 실제임을 증명하기에 충분한 데이터를 수집 할 수 없다고 말합니다. 그래도 단서의 부족은 그 자체로 미스터리입니다.
Auger Observatory를 설계하고 조직하는 데 도움을 준 Sommers는“매우 풍부한 데이터 세트이며 아무것도 보지 못합니다. “저에게는 정말 놀랍습니다. 1980 년대에 나는 우리가 지금 우리에게 통계를 가졌다면 분명한 핫스팟과 패턴이있을 것이라는 좋은 돈을 베팅했을 것입니다. 정말 궁금합니다.”
Kampert는 그와 그의 동료들이 단순히 핫스팟을 찾는 방법에 대해 더 똑똑해 야한다고 생각합니다. 우주의 국소 영역은 입자를 트랜스 -GZK 에너지로 가속화 할 수있는 물체에 의해 균일하게 덮여 있지 않습니다. 문제는 자기 편향이라고 그는 말했다. 은하계 및 외래성 자기장은 코스에서 5 ~ 10도 양성자를 구부리며, 그들이 함유 한 양성자의 수에 따라 무거운 핵을 여러 번 구부립니다. Auger의 공기 쇼어 사건에 대한 Auger의 분석 (대형 Hadron Collider의 입자 충돌로 인한 최첨단 결과를 통합 함)은 가장 높은 에너지 우주 광선이 탄소 또는 철 핵으로 구성된 무거운 측면에있는 경향이 있음을 시사합니다.
Kampert는“가장 높은 에너지가 있다면 [더 무거운 핵]가 있다면 하늘은 항상 모호하거나 번져 있습니다. "수영장 바닥에서 천문학을하는 것과 같습니다."
그와 그의 팀은 이벤트별로 우주 광선의 구성을 식별하는 능력으로 실험을 업데이트하기를 희망합니다. 이를 통해 가장 가볍고 가장 편향된 입자 사이의 상관 관계를 찾을 수 있습니다. "구성은 실제로 가장 높은 에너지 입자의 기원을 이해하는 열쇠입니다."
그리고 우주-레이 에너지 스펙트럼의 끝에서 더 무거운 핵으로의 전환은 주요 단서가 될 수있다. 초신성이 스펙트럼의“무릎”이상의 양성자를 가속화하고 그 시점을 넘어 더 무거운 핵만 추진할 수 있으므로 우주 베드로에서 가장 강력한 천체 물리학 가속기도 할 수 있습니다. 과학자들은 우주-레이 스펙트럼의 진정한 가장자리, 즉 양성자, 그리고 헬륨, 탄소 및 철, 최대를 보는 지점을 엿볼 수 있습니다. 이 낙하를 측정하면 거대한 가속기가 어떻게 작동하는지 드러내고 다른 후보자보다 특정 후보자를 선호합니다.
이론가들은 여전히 200-EEV 범위에서 입자의 뿌리를 생성하는 후보자 또는 320의 OH-MY-GOD 입자를 상상하는 데 어려움을 겪고 있습니다. Thomson은“[320 EEV] 입자를 얻는 방법은 어떤 이론에서도 쉽지 않습니다. “하지만 거기에있었습니다. 일어난 일이 일어났습니다.”
그 사실조차 의문의 여지가 있습니다. 1990 년대 초 유타 대학교에서 일시적으로 일한 Sommers는 Fly의 시선 과학자들이 320-EEV 신호를 분석하도록 도와주었습니다. 그러나“큰 사건”(그가 부르는대로)은“시간의 표준에 의해 꽤 잘 측정되었지만”파리의 눈은“단안”실험으로 완전히 전환되지 않았으며, 두 눈이 아닌 한 눈의 눈과 유사합니다 (두 번째 눈이 건설 중이 었음). 이후 입체 어레이의 정밀도와 중복성이 부족했습니다. Sommers는 에너지 추정치를 의심하는 심각한 이유는 없지만“지금은 의심해야합니다. 훨씬 더 큰 노출로 인해, 더 정확하고 새로운 관측소는 그러한 고 에너지의 입자를 감지하지 못했습니다. 에너지에서 입자의 흐름은 너무 낮아서 파리의 눈이 감지 한 놀라운 우연이었을 것입니다.”
.OH-MY-GOD 입자의 에너지를 계산하는 데 오류 막대가 모두 잘못된 방향으로 꺼져있을 수 있습니다. 그렇다면, 다른 많은 트랜스 -GZK 입자가 뒤 따랐기 때문에 크게 오도하는 연구자들없이 새로운 실험에 동기를 부여하는 것은이 분야의 운이 좋은 실수였습니다. 그리고 OH-MY-GOD 입자가 실수라면, 아마 아무도 알지 못할 것입니다.
