自20世纪60年代的发现以来,超高能源宇宙射线迷住了科学家,他想知道他们来自哪里。像所有的宇宙射线一样,他们可以说是误导:他们不是“rays”辐射但相当亚杀菌颗粒,例如质子甚至整个核,通过空间拉链。这种超高能量来自超高速,接近光本身。

被考虑“ultrahigh,”宇宙射线必须载入千里翁电子伏特的顺序,或一千伏电子伏特(PEV)的动能—在键盘上挖掘一个字符需要约一百分点。将如此多的能量挤压成如此微小的物体—比灰尘小的十万亿倍—远远超过人类的能力’S加速器,尽可能最好地设法生产与飞行GNAT的能量的颗粒。

作为平均超高能量宇宙射线的颌滴, 非常罕见的过度成熟者 研究人员已经设法观察是 真的很令人惊讶,携带能量高达300倍—一个往往的300,000 pev。为了参考,这意味着一个特别快速的亚灭口射击从深空隙中的冲击可以打包牢固的网球的墙壁。

天体物理学家尚不知道究竟究竟会将这些颗粒加速到这种荒谬的速度,但他们迫切希望了解。唯一合理的罪魁祸首是真正的灾难性的事件—如巨大的恒星的爆炸死亡或贪婪的黑洞超越银河系的贪婪喂养—这意味着这些非凡的粒子必须是来自丙倍腐空间深处的信使,从宇宙中的一些最极端物理中携带秘密。

但是,有一个大问题。作为带电粒子,所有宇宙射线都会通过它们接触的任何电磁场转移到它们的行进中,使其几乎不可能将它们追溯到其真实的天体起源。幸运的是,研究人员发现自然提供了另一种前进的方式:研究中微子,电中性粒子认为在与最高能量的宇宙射线本身相同的来源。

“我认为中微子是完美的使者粒子,”芝加哥大学的Astrophysicist Abigail Vieeregg表示。“They’重新努力,他们在宇宙中远离宇宙旅行而不与任何东西互动或在这里弯曲磁场。”

用中微子探测宇宙

平均中微子有50个–通过整个铅的50个机会—9.5万亿公里的密集金属—完全没有受伤。这种深刻的超聊使粒子在其他信使中提供了优势:因为他们很少与物质相互作用,中微子点直接回到他们来自的地方。但这是一把双刃剑。穿越宇宙的不可避免的后果,就像它透明一样,中微子通常以同样的方式通过地球上的探测器—without a trace.

为了提高看到中微子的几率,科学家必须建立诸如的巨大探测器 南极的ICecube实验,这由一间立方公里的南极冰配有光学传感器阵列。作为世界’S最大的中微子天文台,ICecube搜索由Neutrinos与冰中的分子碰撞时产生的带电粒子淋浴喷射的光的闪光。 2018年的ICecube报道 来自巨型喇叭形布拉扎的中微子。最近的二月,它看到了证据 一颗星的一个中微子被一个黑洞撕裂.

但是在最高的能量,“iceCube刚刚用完了蒸汽,”vieeregg说,注意到它需要至少100间立方公里的冰来观察超高能量中微子的光学迹线,因为加速到这种极端速度的颗粒非常罕见。该问题在于检测单元之间的间距:灯光只能在散射或被吸收之前在冰上行进一些数十米,因此光学阵列必须密集,严格限制可实现的探测器尺寸。

因此,超高能量粒子的来源仍然是未被发现的,因为100立方米的ICecube风格的天文台远远超过了技术和财务可行性的界限。在他们寻求观察第一个超高能量中性的中,Astrophysicists已经转移到更经济的无线电检测方法。无线电波可以比光学光进一步在冰上进一步行进数百米,因此可以构建一个稀疏的检测单元阵列以覆盖成本的一小部分。

“Radio is the future,”说美国宇航局的天体物理学家托尼亚·威尼斯’戈达德太空飞行中心。“我将其视为一个互补探针,潜力可以做我们的潜力’在其他检测技术中找到非常具有挑战性。”

中微子无线电排放

像冰一样的材料中的带电粒子淋浴的无线电发射比超高能量的光信号更强烈,使其成为极端宇宙的吸引力。在俄罗斯 - 亚美的物理学家Gurgen Askaryan之后,这一现象被称为Askaryan效应,在1962年首次预测它。

但早期尝试观察Askaryan效果证明不成功,导致普遍存在的怀疑,它可以在超高能粒子检测中使用。“关于这是否是真正的影响,有很多疑问,”夏威夷大学的天体物理学家彼得·戈尔姆说ānoa. “不是许多高能粒子物理学家认真对待这一点。”

尽管如此,仍然存在一个小但有弹性的物理学队,而该领域于2000年达成了一个转折点,当时他们确认了斯坦福线性加速器中心(SLAC)的拖车后面的Askaryan效果。

现在,Askaryan近60年’在无线电制度中的预测,中微子检测只是起飞。“可能出来的新物理学甚至没有梦想的东西,”Gorham说,谁是SLAC团队成员。“We’LL了解宇宙加速器的性质,观察我们可以的能源空间区域’T访问任何其他方式。”

下一代无线电努力

由夏威夷大学的Gorham领导āNOA,中微子射频天文学的开创性努力是Anita(南极冲动瞬态天线),它于2006年开始收集数据。Anita在巨型氦气气球下方的逐步更新的天线雪橇组成,anita在跨越大约一个月的观察活动为期10年,每次在空气中飙升几公里以扫描下面的南极冰盖,以获得超高能量中微粒子的无线电发射的迹象。

1月,美国宇航局为超高能量观察(PUEO)提供了有效载荷,这是一个将从Anita的遗产建造的下一代实验。他们的高空透视提供了气球传播的探测器,如Anita和Pueo一个独特的地面实验,因为它们可以在他们的中微子搜索中监控超过一百万平方公里的冰。 PUEO.’■2024年预计第一次飞行,它将纳入对艾塔的多种技术进步,以增加对更多能量的敏感性,以及更高的中微子事件率。

但是,由气球传播的搜索吹嘘的扩大视野是由此事实的平衡,正是因为天线阵列到目前为止飞行到冰之上,它们可能无法看到微弱的中微子信号中的无线电排放。 另一个缺点是天气困难的现实:条件差是对南极冰盖上任何类型的气球工作的定期中断。为了解决这些问题,天体物理学家正在采用一个“best of both worlds”方法,在大量的冰上创建新的无线电阵列,然后可以在串联中使用球囊传播的实验,以更广泛的能量覆盖。在较小的努力之后,研究人员正在加强在格陵兰(RNO-G)的无线电Neviement,这是由芝加哥大学领导的In-Ice实验的安装。

“RNO-G将是冰上建造的最大的无线电探测器,在未来三年内安装了35站的天线,”宾夕法尼亚州立大学的斯蒂芬妮维斯(Stephanie Wissel)表示,参与了天文台的建设。许多研究人员乐观地认为,RNO-G将很快允许首先偷看极端宇宙,并通过第一次检测超高能量中性粒细胞。

但是,如果不是,则冰上无线电阵列概念将被缩放以用于iceCube’S提出的继任者ICecube-Gen2,它将有200个天线围绕增强的光学系统。“iceCube可以看到Neutrinos最多约10个PETA-Electron伏特。但是通过添加的无线电组件,这将达到数千甚至数十万人,”vieeregg说,谁是pueo和rno-g的主要调查人员。这一扩大的精力充沛的达到Icecube-Gen2只有10%’S总预算,令人印象深刻的点头,以无线电检测的成本效益。

更加新颖的检测策略将从空气中的带电粒子淋浴而不是冰上捕获无线电波。中微子互动地下的前者结果,靠近我们的地球表面:通过正确的条件,这些地球撇渣中微子可以创造出高能颗粒,逸出到大气中,腐烂进入广泛的无线电发射空气淋浴。

这是用于中微子检测或盛大的巨型无线电阵列的策略—一个APT名称,用于实验其巨大尺寸。由法国,中国,荷兰和巴西的机构组织和资助,国际大合作希望发现超高能源宇宙射线的起源,并为200,000平方公里的无线电阵列(即关于阵列)的雄心勃勃的建议内布拉斯加州的大小)。

“这个想法是建立一个单片阵列,但每个单片数组,每一个天线数为10,000个天线,”哥本哈根大学的天体物理学家Mauricio Bustamante说,他共同撰写了盛大的提案。他解释说,这些阵阵的位置很重要,因为他们需要进入“radio-quiet” areas—远离人工的无线电发射来源。迄今为止,盛大已经确定了中亚天山山区的一些远程景点,计划侦察世界各地的其他地点。

随着各种下一代无线电实验,天体物理学界正在嗡嗡作响与未来可能在自然之后持有的想法’终于找到了最精力充沛和难以捉摸的使者。“我非常预期第一个超高能量中性的发现,” Wissel says. “I’m不确定哪个实验首先会这样做,但它将向宇宙开辟一个新的窗口,具有许多发现的潜力。”

对于熟悉该领域历史的科学家来说,新宇宙前沿的探索是过去的颂歌:通过研究粒子来自天空来说,物理在20世纪蓬勃发展。“It’■当我们想了解更多我们自己的机器可以告诉我们的时候,我们再次回到宇宙加速器的事件的自然转变,” Bustamante says. “That’既可研究我们宇宙最高能量粒子的全部目的。”