Il 27 maggio 2021, un telescopio americano ha rilevato i raggi cosmici con la seconda energia più alta nella storia della loro osservazione. La densità di energia era così enorme da mettere in discussione la nostra capacità di comprendere la fisica delle particelle.
UN Ultimo messaggio In Scienze Annuncia la scoperta, fatta da uno specialissimo telescopio costruito nel deserto dello Utah, di un raggio cosmico caduto sulla Terra il 27 maggio 2021.
La Terra è costantemente bombardata dalle radiazioni provenienti dall’universo, ma queste radiazioni hanno un’energia mai osservata prima, soprattutto perché questa energia macroscopica è trasportata da un potenziale protone, cioè è concentrata in una dimensione infinitesimale. Non esiste una tale densità di energia in nessun altro posto sulla Terra.
Un minuscolo pezzo di polvere probabilmente testimonia un evento catastrofico generato nel profondo del cielo molto tempo fa, e la sua fonte pone un problema di spiegazione per i fisici.
Scoperta dei raggi cosmici
Nel 1911, Victor Hess scoprì le radiazioni Proveniente dall’universo. Per fare questo, non ha esitato a salire in mongolfiera fino a un’altezza di cinque chilometri per sfuggire alle radiazioni terrestri provenienti dalla radioattività emanata dal nostro pianeta. Utilizzò l'”elettroscopio”, uno strumento in grado di misurare il flusso di particelle ionizzate che lo attraversavano. Si noti quindi che il flusso aumenta con l’altezza e quindi la sua origine è nello spazio. Hess vinse il Premio Nobel nel 1936.
La superficie terrestre riceve costantemente circa un centinaio di particelle cariche per metro quadrato al secondo. Queste particelle sono i muoni, che sono particelle elementari simili agli elettroni, ma con una massa maggiore.
Ma queste particelle non sono esse stesse raggi cosmici provenienti dalle profondità dell’universo: sono particelle “secondarie”, create da interazioni avviate nell’atmosfera da protoni o altri nuclei pesanti che provengono da molto più lontano. Una volta raggiunta la Terra rimangono solo muoni e neutrini, perché le altre particelle risultanti sono scomparse (decadono o interagiscono a loro volta).
Una pioggia di particelle nell’atmosfera
L’atmosfera che circonda la Terra forma uno spesso strato, spesso fino a decine di chilometri. In totale abbiamo l’equivalente di 10 metri d’acqua sopra le nostre teste. Le domande sono molte e il protone che raggiunge gli strati superiori necessariamente interagirà durante il transito. In media, l’interazione con le molecole dell’atmosfera avviene ad un’altitudine di circa 20 chilometri.
Le interazioni delle particelle elementari vengono studiate in dettaglio in esperimenti di laboratorio come al CERN. Sappiamo quindi che il passaggio di un protone attraverso la materia porterà ad una reazione primaria con la creazione di una gamma più ampia di oggetti secondari con energia crescente: pioni, kaoni, ecc. Ma queste particelle avranno l’opportunità di interagire a loro volta, e le particelle risultanti interagiranno in questo modo… e alla fine otterremo quella che chiamiamo una “doccia” di particelle.
Modelliamo il passaggio dei protoni nell’atmosfera fino alle energie raggiunte negli acceleratori e, per energie più elevate, le estrapoliamo utilizzando programmi di simulazione al computer. Pertanto, le travi possono estendersi per diversi chilometri con il nucleo ad un’altitudine di circa 10 chilometri. Maggiore è l’energia dei raggi cosmici, maggiore è il numero di particelle secondarie, e alle energie di cui parleremo, lo sciame potrà essere ricco di miliardi di particelle secondarie che cospargeranno diversi chilometri quadrati della superficie terrestre. Il rilevamento di tali sciami ci permette di risalire alla particella che li ha generati.
Telescopio gigante nel mezzo del deserto
Come possiamo vedere la formazione di tali sciami nell’atmosfera? Per Platone la conoscenza deriva dall’interpretazione delle ombre che appaiono sul fondo della caverna. Nel caso attuale, si tratta di estrarre le proprietà dei raggi cosmici responsabili dello sciame dall’impronta lasciata quando raggiungono la Terra.
Gli eventi ad altissima energia sono molto rari. Quello di cui parliamo ha un’energia ricostruita di 244 Exa-eV (244 x 1018 eV), e il flusso corrispondente dovrebbe essere pari a una copia per secolo e per chilometro quadrato! Qui, le energie sono misurate in elettronvolt e multipli di essi, dove 1 volt è l’energia acquisita da un elettrone con una differenza di potenziale di 1 volt – una piccola energia che corrisponde, in unità convenzionali, a 1,6 10-19 Jules.
Pertanto, per avere la possibilità di rilevare alcuni di questi rari fenomeni, è necessario costruire un gigantesco telescopio misurando la superficie più ampia possibile.
IL La “matrice del telescopio” è l’origine di questa osservazione Si trova nel deserto dello Utah, negli Stati Uniti centrali. È costituito da una griglia quadrata di 507 stazioni a terra, ciascuna di 3 metri quadrati, costruite con “flash di plastica” che reagiscono al passaggio delle molecole. Le stazioni sono distribuite a 1,2 chilometri l’una dall’altra, per un’area sensibile totale di 700 chilometri quadrati. Questa rete terrestre è alimentata da rilevatori fluorescenti diretti verso il cielo: è in grado di vedere tracce luminose associate agli acquazzoni che inondano l’atmosfera durante le notti senza luna.
L’intensità dei segnali raccolti fornisce informazioni sullo sciame, rendendo possibile misurare l’energia dei raggi cosmici responsabili, e la loro direzione di arrivo viene dedotta dalle differenze orarie misurate in diverse stazioni terrestri. L’incertezza è stimata a 1,5 gradi.
L’evento super attivo è il 27 maggio 2021
Pertanto, l’evento di propagazione ha attivato un totale di 23 rilevatori vicini simultanei al telescopio, coprendo un’area di circa 30 chilometri quadrati. È stata osservata una grande componente muonica, escludendo che la particella originale fosse un fotone (i fotoni generano sciami elettromagnetici costituiti da particelle diverse da quelle previste per un protone) – ma uno studio più approfondito della composizione del fascio non ha portato a conclusioni. È possibile determinare se si tratta di un protone puro o di un nucleo più pesante.
L’energia ricostruita di 244 Exa-eV è affetta da un’incertezza di circa il 25%. È un’energia enorme. 30 milioni di volte superiore all’energia dei protoni raggiunta al CERN dall’acceleratore che scoprì il bosone di Higgs. Ciò corrisponde a circa 40 joule in unità attuali, ovvero l’energia trasferita da una pallina da tennis lanciata schiacciando il campione durante un torneo importante. Si tratta di un’energia sorprendente su scala microscopica, concentrata in una particella – forse un protone – di soli 10 cm di dimensione-15 metro!
Il segreto dell’origine di questo raggio cosmico
Per Aristotele l’universo era immutabile, a differenza della Terra deperibile. I raggi cosmici, che il filosofo greco non avrebbe potuto prevedere, dimostrano in modo molto diretto che l’universo è in un costante stato di tumulto. Oggi sappiamo che il cielo nasconde un dramma gigantesco: buchi neri che inghiottiscono le stelle vicine, galassie telescopiche, raggruppamenti di stelle binarie… Siamo lontani dall’armonia che ammiriamo quando rivolgiamo gli occhi verso il cielo durante una bellissima notte estiva tempestata di stelle.
Il suddetto post descrive un evento eccezionale, ma la sua spiegazione non è chiara.
A tali energie, il protone non può percorrere distanze infinite nello spazio, perché è al di sopra della soglia per l’interazione con i fotoni cosmici di fondo a microonde del Big Bang. Questi fotoni, scoperti in particolare dal satellite Planck, riempiono tutto lo spazio fino a 400 per centimetro cubo, ciascuno dei quali trasporta una piccola energia di 10-4 Volt. Tuttavia, il protone con la massima energia ha tutte le possibilità di interagire con questi fotoni e perdere così la sua energia iniziale trasformandosi in altre particelle; Lo chiamiamo così Colpo di stato Gryzen-Zatsypin-Kuzmin (JZK). Possiamo ricevere tali raggi energetici solo se sono molto vicini a noi. Questo taglio è stato chiaramente dimostrato grazie ad un precedente esperimento: l’Osservatorio Oger copre un’area di 3.000 chilometri quadrati nel mezzo della pampa argentina.
Ciò significa che per sopravvivere attraversando il mezzo intergalattico, il raggio studiato dovrebbe essere prodotto a meno di 100 megaparsec dalla Terra, cioè nelle nostre immediate vicinanze, appena l’1% dell’universo.
In totale, dal 2008, l’esperimento Telescope Array ha misurato 28 sciami con intensità superiori a 100 exa-elettronvolt. La loro distribuzione nel cielo è isotropa, nel senso che provengono da tutte le direzioni. Pertanto, non possiamo determinarne chiaramente la fonte.
Per l’evento record di 244 eV, la direzione di arrivo punta verso il vuoto nella struttura su larga scala dell’universo, il che inizialmente sembra sorprendente, perché in questa direzione non è stato trovato alcun oggetto che avrebbe potuto potenzialmente generare un tale raggio.
Poiché la particella iniziale è carica, forse campi magnetici galattici o extragalattici sconosciuti hanno piegato il percorso del raggio mentre viaggiava, facendogli perdere la direzione originale? I campi conosciuti sono molto deboli.
C’è un’altra via di fuga più audace suggerita dalla pubblicazione: un tale raggio che sembra violare il limite GZK potrebbe indicare un nuovo effetto che indica un difetto nella nostra attuale conoscenza della fisica delle particelle. Questa è la “nuova fisica” a cui invochiamo ogni volta che il risultato si discosta dal sentiero battuto.
Andando avanti dovremo aumentare notevolmente le statistiche attuali, ovvero coprire aree aumentate o attendere periodi molto lunghi. Più plausibilmente, possiamo sperare di immaginare nuove tecniche di rilevamento. Infatti, sono in corso sviluppi per rilevare gli acquazzoni, ad esempio, attraverso le onde radio che emettono Grande progettoo osservato dallo spazio, per esempio Proposta dell’Unione Europea.
La storia non è chiusa.
Francesco VanucciProfessore Emerito, ricercatore in fisica delle particelle, specializzato in neutrini, Università della città di Parigi
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