Met behulp van observaties van de DRUIVEN-3 muondetector hebben natuurkundigen in India en Japan een slecht begrepen gebied van het energiespectrum van kosmische straling in ongekend detail onderzocht. Fahim Varsi bij de Indian Institute of Technology Kanpur en collega's identificeerden een voorheen onzichtbaar kenmerk in de vorm van een knik in het spectrum. De waarnemingen suggereren dat er behoefte is aan een heroverweging van de oorsprong van kosmische straling.

Kosmische straling bestaat voornamelijk uit protonen en heliumkernen en is een zeer energetische deeltjes die voortdurend de atmosfeer van de aarde bombarderen. Terwijl ze in wisselwerking staan ​​met de atmosfeer, produceren kosmische straling regenbuien van secundaire deeltjes, waaronder elektronen, fotonen en muonen, die op aarde neerdalen.

Kosmische straling werd voor het eerst geïdentificeerd in 1912, in Nobelprijswinnende observaties gedaan door Victor Hess. Maar zelfs meer dan een eeuw na hun eerste detectie moeten we nog veel leren over de aard van deze deeltjes. Hoewel astronomen geloven dat kosmische straling afkomstig is van een aantal verschillende bronnen, waaronder sterren, supernova's en actieve galactische kernen, wordt hun oorsprong niet volledig begrepen omdat de deeltjes worden afgebogen door magnetische velden terwijl ze grote afstanden naar de aarde afleggen.

Nauwkeurige metingen vereist

“Het is bekend dat kosmische straling de meest energetische deeltjes in het universum zijn”, zegt teamlid Pravata Mohanty aan het Tata Instituut voor Fundamenteel Onderzoek in Mumbai. “Een nauwkeurige meting van de vorm van het elementaire energiespectrum in kosmische straling is nodig om ons begrip van hun oorsprong, versnelling en voortplanting te vergroten.”

Een bijzonder opvallend hiaat in het begrip ligt in het midden van het spectrum van kosmische straling bij energieën in het bereik van 100 TeV–1 PeV. In dit venster zijn de deeltjes te energiek om rechtstreeks te worden opgepikt door in de ruimte gestationeerde detectoren, maar niet energiek genoeg om grote aantallen zwermdeeltjes de detectoren op aarde te laten bereiken.

Om dit energiebereik gedetailleerder te onderzoeken, onderzocht het team van Varsi observaties van het GRAPES-3-experiment. Dit is een muonobservatorium in het zuiden van India dat bestaat uit een reeks sprankelende detectoren. De faciliteit bevindt zich op 2200 meter boven zeeniveau, waardoor het gemakkelijker wordt om muonen te detecteren voordat ze in wisselwerking treden met de atmosfeer.

“GRAPES-3 bevat een detector met een groot oppervlak, waardoor we de elementaire samenstelling van kosmische straling kunnen meten via de muoncomponent in kosmische stralingsbuien”, legt Mohanty uit. “Met een detectiegebied dat duizenden keren groter is dan dat van in de ruimte gestationeerde detectoren, garandeert GRAPES-3 een uitzonderlijk hoge statistische nauwkeurigheid bij metingen.”

Vierjarige studie

De onderzoekers evalueerden ongeveer 8 miljoen buien die werden waargenomen over een periode van 460 dagen in 2014 en 2015. Vanwege de complexiteit van hun analytische en foutcorrectietechnieken duurde het vier jaar om de analyse te voltooien. Het team zegt dat de resultaten het eerste gedetailleerde beeld geven van het midden-energievenster.

“De studie mat het protonenspectrum in kosmische straling van 50 TeV tot 1.3 PeV, waardoor observaties van zowel ruimte- als grondmetingen effectief met elkaar werden verbonden”, beschrijft Mohanty.

Een van de meest opvallende kenmerken die door het team van Varsi werden opgemerkt, was een knik in het energiespectrum bij ongeveer 166 TeV, waarbij meer kosmische protonen dan verwacht werden gedetecteerd bij iets hogere energieën. Eerder hadden experimenten op de grond een soortgelijke knik ontdekt bij ongeveer 3 PeV, waarvan men dacht dat dit de maximale energie was voor kosmische straling afkomstig van sterrenstelsels.

Tot nu toe gingen onderzoekers er in het algemeen van uit dat het protonenenergiespectrum in het waargenomen gebied kan worden beschreven door een eenvoudige machtswet. De ontdekking van het team lijkt deze veronderstelling echter te doorbreken.

“Het suggereert de mogelijkheid dat één klasse van bronnen, waarvan algemeen wordt aangenomen dat het supernovaresten zijn, kosmische straling effectief kan versnellen tot aan de waargenomen knik, terwijl een andere klasse voorbij de knik de overhand krijgt”, legt Mohanty uit.

Door voort te bouwen op deze resultaten hoopt het team van Varsi dat er binnenkort nieuwe modellen kunnen ontstaan ​​die deze effecten kunnen verklaren. Als ze worden bereikt, kunnen ze ons begrip helpen versterken van hoe kosmische straling ontstaat, versnelt en zich voortplant over intergalactische afstanden.

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/kink-in-cosmic-ray-spectrum-puzzles-astrophysicists/