Наблюдаемый состав космических лучей СВЭ

Как много известно о составе космических лучей сверхвысоких энергий (скажем, Е > 10 20  эВ )? У меня складывается впечатление, что частицы часто принимают за протоны или другие более тяжелые ядра, но какое эмпирическое основание у нас есть для этого? Существуют ли экспериментальные доказательства, исключающие фотоны или лептоны в качестве кандидатов? Знаем ли мы, являются ли УВЭ материей или антиматерией?

Насколько я понимаю, существует довольно много литературы, посвященной возможным механизмам образования УВЭ в виде ядер различной массы. Например, ядрам железа может быть легче достичь высоких энергий в магнитном поле, поскольку их нужно будет ускорять за меньшее время, чем протоны.

Однако я не хочу ставить телегу впереди лошади; дело в том, что мы не знаем, откуда они берутся , и поэтому мы не должны основывать наши знания о том, из чего они сделаны, на этих теориях.

Ответы (4)

Мы можем сделать обоснованное предположение, взглянув на критерий Хилласа . Суть этого критерия состоит в том, что максимальная энергия частицы, Е , ограничен размером ускорителя, р ( ∼ р л ларморовский радиус ) и напряженность магнитного поля, Б . Отношение дает

Е м а Икс знак равно 10 18 Z β Б мю грамм р к п с е В
куда Б мю грамм - магнитное поле, измеренное в микрогауссах, р измеряется в килопарсеках, β знак равно в / с скорость узла ускорителя (т. е. ударной волны ) и Z его атомный номер. Это отношение лучше всего понять, взглянув на него:

введите описание изображения здесь( источник изображения )

Синие линии представляют максимальную энергию протона в разных местах ускорителя ( β знак равно 1 / 300 является представителем нерелятивистского удара (например, удар остатка сверхновой), тогда как β знак равно 1 представляет релятивистские ударные волны (например, струи АЯГ)), красный цвет — ядра железа. Серые пятна на графике характеризуют размеры и радиусы магнитного поля астрономических объектов. Любой класс объектов выше диагональной линии сможет разогнать ядра протона/железа до отмеченных энергий.

Как видно из диаграммы, для этого требуется огромное магнитное поле ( 10 15 Гаусса) для ускорения железа до 10 20 эВ, поэтому единственным кандидатом является магнетар. Что касается протонов, то активные ядра галактик (АЯГ) и их джеты способны разогнать протон до 10 20 эВ с кажущейся легкостью, то же самое и со скоплениями галактик.

Таким образом, с эвристической точки зрения, идея о том, что наши КЛСВЭ являются тяжелыми ядрами , по- видимому , исключается (обратите внимание, что этот критерий не исключает его полностью и не является доказательством того, что это не тяжелые ядра, просто это маловероятно; и, как говорит dmckee , мы получаем так мало при такой энергии, что просто не стоит ставить оборудование для ее различения).

Для непосвященных критерий задается тем, что когда частица становится слишком энергичной, ее ларморовский радиус больше, чем область с магнитным полем, и поэтому она улетает без шансов на дальнейшее ускорение. Таким образом, вам нужно либо очень сильное, либо очень расширенное поле (или и то, и другое! Но этого, как правило, не существует) для ускорения УВЭ.
Это очень интересно. Но мне все равно пришлось бы подать это в графу «ставить телегу впереди лошади», как было сформулировано в моем первоначальном вопросе. Насколько я понимаю, у нас есть потенциальные механизмы для производства СВЭ из протонов. Возможно, это железо, и мы просто еще не сообразили, как они ускоряются. Я ищу ответ на вопрос, есть ли у нас данные наблюдений о составе УВЭ, которые мы уже видели. Знаем ли мы наверняка, что это не фотоны? Неважно, есть ли у нас представление о том, как производить фотоны с энергией 10^20 эВ.
@chase: Два момента: (1) по определению «космические лучи» это не могут быть фотоны и (2) мы знаем, как работают большие ускорители, мы используем тот же принцип с линейными ускорителями . Обратите внимание, что dmckee ответил на ваш вопрос: у нас нет данных наблюдений, потому что они настолько редки, что просто не стоит тратить деньги на их исследование (и отчасти потому, что разумно предположить, что это протоны, учитывая мой эвристический аргумент).
@KyleKanos, re: (2) Я не говорю, что это плохая наука, на самом деле я думаю, что это самый разумный подход к изучению CR. Мне просто интересно, можем ли мы на самом деле посмотреть на события и сказать, что они из себя представляют. Например, если бы мы смотрели на них и знали , что это фотоны, мы, вероятно, не создали бы целое поколение теоретиков, ищущих способы ускорения ядер для объяснения спектра СВЭ. Вместо этого они будут изобретать теории для энергичных фотонов.
@KyleKanos, re: (1) поэтому номенклатура была бы «гамма-луч», если бы это были фотоны. Тогда перефразируйте вопрос: откуда мы знаем, что атмосферные ливни, связанные с КЛ СВЭ, не вызваны жесткими гамма-лучами? Мы знаем, что некоторые первичные космические лучи состоят из позитронов , а в детекторах коллайдера фотоны и электроны выглядят ужасно похожими.
@chase: На практике мы наверняка могли бы определить, что это за вид (H + до Fe), но это просто нецелесообразно , потому что мы получаем что-то 1 частица/км 2 /в.
@chase: Возможно, мы знаем, что они не фотоны, из-за вторичных частиц? п + γ ведет себя иначе, чем п + п . (Я размышляю здесь, я действительно не знаю, потому что я не работаю с UHECR)

Чтобы ответить на актуальный вопрос о том, откуда мы знаем состав КЛУВЭ, не полагаясь на исходную информацию (которой у нас нет), мы должны взглянуть на их обширные воздушные ливни (ШАЛ). После того, как UHECR достигает верхней части атмосферы, в воздухе создается ШАЛ, но p и Fe будут создавать ШАЛ различной формы. На БАК измеряются свойства адронных взаимодействий, которые затем экстраполируются на более высокие энергии (50 ТэВ и выше) КЛСВЭ. Затем в атмосфере выполняется моделирование ливня (с различной плотностью атмосферы, магнитным полем Земли и т. д.), чтобы предсказать форму ливня. Когда эти потоки распространяются в атмосфере, они флуоресцируют. Телескопы в обсерватории Пьера Оже (крупнейшая обсерватория КЛ в мире, находится в Аргентине) и телескопы высокого разрешения (в Юте, предоставляют информацию о северном полушарии, Икс м а Икс - глубина ливня от начальной точки взаимодействия (в ед. Икс : г/см 2 - такой, что при делении на плотность дает длину), при которой наблюдается максимальное излучение. Затем рассчитываются средние и среднеквадратичные значения по серии событий, а затем сравниваются с результатами моделирования.

Оже и High-Res по-прежнему расходятся во мнениях по этому поводу. Вы можете увидеть данные Оже здесь (arxiv abs) на странице 11 автора или на странице 16 pdf. Красные линии соответствуют предсказаниям для протонов в различных моделях адронных взаимодействий, а синие линии — для железа. Оже, кажется, явно предпочитает тяжелую (или, по крайней мере, более тяжелую) композицию при самых высоких энергиях.

Данные высокого разрешения благоприятствуют составу протонов вплоть до самых высоких энергий. Конечно, у них значительно меньше данных, но они все равно претендуют на весомый результат. Их данные представлены здесь (arxiv abs) вместе с красивыми графиками репрезентативных ливней.

Одна известная проблема в адронной симуляции заключается в том, что мюоны низкой энергии учитываются неправильно. Это проблема, над решением которой физики CR и LHC работают вместе, но, вероятно, пройдет не менее года или двух, прежде чем она будет включена в необходимые модели. Кроме того, существует рабочая группа, состоящая из членов Auger и High-Res, которая работает над устранением ряда текущих расхождений между двумя экспериментами. Хотя самый большой из них связан с энергетическим спектром, я уверен, что он тоже есть в их списке.

Довольно полный обзор от Auger можно найти здесь (arxiv abs) .

Вывод: это во многом открытая проблема. Будущие телескопы, такие как JEM-EUSO на МКС, могут улучшить данные здесь и решить эту проблему. Кроме того, улучшенные данные с LHC могут привести эксперименты в соответствие, или улучшение систематики экспериментов может решить проблему. Наконец, JEM-EUSO может предоставить достаточно данных, которые могут быть ограничены информацией о галактическом и внегалактическом магнитном поле (которая должна быть значительно улучшена), чтобы наложить некоторые ограничения на заряд после того, как один или несколько источников будут идентифицированы. .

Спасибо, что подошли к моему вопросу с пониманием! У меня есть два подвопроса, если вы можете уточнить: (1) Могут ли эти события быть фотонами? Или EAS просто будет выглядеть совершенно неправильно? (2) Не могли бы вы рассказать немного подробнее (или дать мне ссылку на источник) о том, как физика LHC вступает в игру? Мне это интересно, так как я сам студент ATLAS.
1. Нет. Фотоны не достигают таких высоких энергий. Лидером продаж здесь является HAWC (страница с обзором пресса в архиве) , который сейчас создается в Мексике (скоро должен появиться в сети). Причина имеет рудное отношение к распространению, чем что-либо. Аннотация здесь (arxiv abs) должна содержать некоторые причины, почему (в основном, они производят пару или производят двойную пару). 2. LHC помогает с измерениями PDF, которые используются в моделировании адронных ливней. Этот документ (arxiv abs) дает хороший обзор.

Я немного не в своей компетенции здесь, и, возможно, кто-то, кто разбирается в деталях, будет рядом, но вот...

  • Состав космических лучей СВЭ не измеряется напрямую, потому что они слишком редки, чтобы оправдать установку спектрометра, достаточного для их проверки в космосе.
  • Состав обычных космических лучей был проверен, и они в основном состоят из протонов с несколькими более тяжелыми стабильными частицами. Тестирование проводится путем размещения на спутнике небольшого спектрометра со сверхпроводящим магнитом. Эти миссии имеют ограниченную продолжительность жизни, но были очень успешными. Космические лучи должны быть стабильными, потому что замедление времени или нет, они находились в пути долгое время: весь неустойчивый первоначальный состав распался.
  • События UHE происходят так далеко, что они также должны быть стабильными, несмотря на свирепые γ .
  • Космические лучи СВЭ генерируются в результате невероятно энергичных событий.

Учитывая все вышеизложенное, становится разумным предположить протоны.

В пункте 3, я полагаю, вы имеете в виду лимит ГЗК? Но ГЗК предполагает, что CR — это протоны; неядерный кандидат потенциально будет подвержен более слабым взаимодействиям с фотонами реликтового излучения.
Да. Возможно, у меня было слишком радужное представление о реальной ситуации. Я искал документы arXiv, чтобы подтвердить то, что, как мне казалось, я знал, и, похоже, их там нет.
Re: пункт 1 и 2; Я знал, что мы измерили, что нижний спектр состоит в основном из протонов, но экстраполяция может быть опасной! Потенциально проблематичным является спектр высоких энергий, поэтому мы должны быть осторожны, используя то, что мы знаем о низкоэнергетических КЛ. И действительно, у нас так мало наблюдений за УВЭ, что было бы трудно сравнивать разные композиции, вот почему я беспокоюсь об этом ;)
Извините, но я не понимаю, как это исключает, например, альфа-частицы или другие стабильные частицы.
@EmilioPisanty Это не так. Я бы удалил это после того , как пришел ответ Кайла , только он намекает на этот ответ.
Что касается проблемы ГЗК в отношении протонов, обратите внимание, что тяжелые ядра также теряют энергию (и нуклоны) из-за взаимодействия с реликтовым излучением. В любом случае это говорит нам о том, что и протоны, и более тяжелые ядра должны прилетать относительно близко, а не относительно далеко. Что касается спектрометра в космосе, то ему потребуется не только большая эффективная площадь для низкой скорости (<1 на км^2 за 100 лет), но также потребуется большой объем (на самом деле масса), чтобы вместить весь воздушный ливень и правильно реконструировать энергию.

Люди удивительно скромны в заявлении явных композиций. Я предлагаю связаться с Pierre Auger Collaboration для получения наборов данных или явных ссылок,

http://www.auger.org/contact/

arXiv:1106.3048, The Pierre Auger Collaboration
Z = 6 (219 событий), 13 (797 событий), 26 (2887 событий) для углового окна 18◦ вокруг Cen A. Приведен другой пример.

arXiv: 1201.6265 «Изучение массового состава ядер космических лучей сверхвысоких энергий с помощью обсерватории Пьера Оже». Я не вижу никаких ядерных масс в списке, хотя есть несколько наводящих на размышления графиков.

arXiv:1312.7459 «Галактические КЛ должны простираться до энергий порядка нескольких 10^17 эВ и что при таких энергиях в химическом составе должны преобладать ядра железа». «Должен» не подкрепляется перечисленными номерами

http://www.slac.stanford.edu/econf/C040802/papers/L020.PDF
4.2 Химический состав СВВЭ Я не вижу никаких химических составов.

Спасибо за ссылки. В arXiv:1106.3048 они заявляют, что химический состав выводится путем сравнения структуры наблюдаемых атмосферных ливней с моделированием Монте-Карло. Однако для UHE у нас есть только 100 точек данных; кажется, что было бы очень сложно использовать эту технику, чтобы вывести состав выше порогового значения GZK.
Достойная статистика обнаружения требует почти планетарной зоны обнаружения. Будет ли магнитное поле Земли избирательно направлять их по релятивистским причинам, превращая магнитное поле в электрический заряд?
Радиус изгиба в магнитном поле равен ∝ п / Б , так что нет. Магнитное поле Земли — не тот анализатор, о котором стоит говорить.
Не забывайте, что другой основной эксперимент UHECR, ТА, постоянно расходится с Оже в вопросе композиции. Если проблема связана с систематическим процессом их реконструкции, то их результаты могут быть неверными.
Наблюдаемый состав космических лучей СВЭ
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v