Beobachtete Zusammensetzung der kosmischen UHE-Strahlung

Wie viel ist über die Zusammensetzung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung bekannt (z E > 10 20  eV )? Ich habe den Eindruck, dass die Teilchen oft als Protonen oder andere schwerere Kerne angenommen werden, aber welche empirische Grundlage haben wir dafür? Gibt es experimentelle Beweise, die Photonen oder Leptonen als Kandidaten ausschließen? Wissen wir, ob die UHEs Materie oder Antimaterie sind?

Ich verstehe, dass es ziemlich viel Literatur gibt, die die möglichen Produktionsmechanismen von UHEs als Kerne verschiedener Massen untersucht. Beispielsweise könnten Eisenkerne in einem Magnetfeld leichter auf hohe Energien kommen, da sie weniger lange beschleunigt werden müssten als Protonen.

Allerdings will ich dem Pferd nicht den Karren aufspannen; Tatsache ist, dass wir nicht wissen, woher sie kommen , und deshalb sollten wir unser Wissen darüber, woraus sie bestehen, nicht auf diese Theorien stützen.

Antworten (4)

Wir können eine vernünftige Vermutung anstellen, indem wir uns das Hillas-Kriterium ansehen . Der Kern dieses Kriteriums ist, dass die maximale Energie des Teilchens, E , wird durch die Größe des Beschleunigers begrenzt, R ( ∼ R L der Larmor-Radius ) und die Stärke des Magnetfelds, B . Die Beziehung gibt

E m a x = 10 18 Z β B μ G R k p c e v
wo B μ G ist das in Mikrogauß gemessene Magnetfeld, R gemessen in Kiloparsec, β = v / c die Geschwindigkeit der Beschleunigerstelle (dh der Stoßwelle ) und Z seine Ordnungszahl. Diese Beziehung wird am besten verstanden, wenn man sie betrachtet:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein( Bildquelle )

Die blauen Linien stellen die maximale Energie eines Protons an verschiedenen Beschleunigerstellen dar ( β = 1 / 300 ist repräsentativ für einen nicht-relativistischen Schock (z. B. Supernova-Restschock), wohingegen β = 1 ist repräsentativ für die relativistischen Schocks (zB AGN-Jets)), das Rot für Eisenkerne. Die grauen Kleckse im Diagramm sind charakteristisch für die Magnetfeldgrößen und -radien astronomischer Objekte. Jede Klasse von Objekten oberhalb der diagonalen Linie wird in der Lage sein, die Protonen/Eisenkerne auf die markierten Energien zu beschleunigen.

Aus dem Diagramm geht eindeutig hervor, dass es ein riesiges Magnetfeld erfordert ( 10 fünfzehn Gauss), um Eisen zu beschleunigen 10 20 eV, daher ist der Magnetar der einzige Kandidat. Wie bei Protonen sind aktive galaktische Kerne (AGN) und ihre Jets in der Lage, ein Proton auf zu beschleunigen 10 20 eV mit scheinbarer Leichtigkeit, dasselbe gilt für Galaxienhaufen.

Aus heuristischer Sicht scheint die Idee, dass unser UHECR schwere Kerne sind, ausgeschlossen zu sein (beachten Sie, dass dieses Kriterium es nicht vollständig beseitigt hat oder ein Beweis dafür ist, dass es keine schweren Kerne sind, nur dass es nicht wahrscheinlich ist; und wie dmckee sagt , wir bekommen so wenig von dieser Energie, dass es das Geld einfach nicht wert ist, die Ausrüstung einzusetzen, um sie zu erkennen).

Für Uneingeweihte ist das Kriterium, dass das Teilchen, sobald es zu energisch wird, seinen Larmor-Radius größer als den Bereich mit dem Magnetfeld hat und daher ohne Chance auf weitere Beschleunigung entkommt. Daher benötigen Sie entweder ein sehr starkes oder ein sehr ausgedehntes Feld (oder beides! aber das existiert tendenziell nicht), um UHEs zu beschleunigen.
Das ist sehr interessant. Aber ich müsste dies immer noch unter "den Wagen vor das Pferd stellen" einordnen, wie in meiner ursprünglichen Frage formuliert. Ich verstehe, dass wir Kandidatenmechanismen für die Herstellung von UHEs aus Protonen haben. Vielleicht ist es Iron und wir waren einfach noch nicht schlau genug, um darüber nachzudenken, wie sie beschleunigt werden. Ich suche nach einer Antwort darauf, ob wir Beobachtungsbeweise für die Zusammensetzung der UHEs haben, die wir bereits gesehen haben. Wissen wir mit Sicherheit, dass sie nicht etwa Photonen sind? Egal, ob wir eine Idee haben, wie man 10^20 eV-Photonen erzeugt.
@chase: Zwei Punkte: (1) per Definition von "kosmischer Strahlung" können es keine Photonen sein und (2) wir wissen, wie die großen Beschleuniger funktionieren, wir verwenden das gleiche Prinzip mit Linacs . Beachten Sie, dass dmckee Ihre Frage beantwortet hat: Wir haben keine Beobachtungsbeweise, weil sie so selten sind, dass es sich einfach nicht lohnt, Geld für ihre Untersuchung auszugeben (und teilweise, weil es angesichts meines heuristischen Arguments vernünftig ist anzunehmen, dass es sich um Protonen handelt).
@KyleKanos, zu: (2) Ich sage nicht, dass es schlechte Wissenschaft ist, tatsächlich denke ich, dass dies der vernünftigste Ansatz ist, um etwas über die CRs zu lernen. Ich habe mich nur gefragt, ob wir uns die Ereignisse tatsächlich ansehen und sagen können, was sie sind. Hätten wir sie uns zum Beispiel angesehen und gewusst , dass es sich um Photonen handelt, hätten wir wahrscheinlich keine Generation von Theoretikern herausgefordert, die nach Möglichkeiten suchen, Kerne zu beschleunigen, um das UHE-Spektrum zu erklären. Stattdessen würden sie Theorien für energetische Photonen erfinden.
@KyleKanos, zu: (1) Die Nomenklatur wäre also "Gammastrahlung", wenn es sich um Photonen handeln würde. Dann formulieren Sie die Frage um: Woher wissen wir, dass die mit UHE CRs verbundenen Luftschauer nicht durch harte Gammastrahlen verursacht werden? Wir wissen, dass einige primäre kosmische Strahlen aus Positronen bestehen , und in Collider-Detektoren sehen Photonen und Elektronen schrecklich ähnlich aus.
@chase: In der Praxis könnten wir sicherlich feststellen, um welche Art es sich handelt (H + auf bis zu Fe), aber es ist einfach nicht praktikabel , weil wir etwas 1 Partikel/km bekommen 2 /Jahrhundert.
@chase: Vielleicht wissen wir wegen der Secondaries, dass sie keine Photonen sind? p + γ verhält sich anders als p + p . (Ich spekuliere hier, ich weiß es nicht wirklich, weil ich nicht mit UHECRs arbeite)

Um die eigentliche Frage zu beantworten, woher wir die Zusammensetzung von UHECR kennen, ohne uns auf Quelleninformationen zu verlassen (von denen wir keine haben), müssen wir uns ihre ausgedehnten Luftschauer (EAS) ansehen. Nachdem ein UHECR die Spitze der Atmosphäre erreicht hat, wird ein EAS in der Luft erzeugt, aber p und Fe erzeugen EAS mit unterschiedlichen Formen. Am LHC werden Eigenschaften hadronischer Wechselwirkungen gemessen und diese dann auf die höheren Energien (50 TeV und mehr) von UHECR extrapoliert. Dann werden Schauer-Simulationen in der Atmosphäre durchgeführt (mit unterschiedlicher atmosphärischer Dichte, dem Erdmagnetfeld und allem), um die Form des Schauers vorherzusagen. Wenn sich diese Schauer durch die Atmosphäre ausbreiten, fluoreszieren sie. Teleskope am Pierre-Auger-Observatorium (größtes CR-Observatorium der Welt, befindet sich in Argentinien) und High-Res (in Utah, liefert Informationen über die nördliche Hemisphäre, X m a x - die Tiefe der Dusche vom anfänglichen Interaktionspunkt (in Einheiten von X : g/cm 2 - so dass, wenn es durch eine Dichte dividiert wird, es eine Länge ergibt), bei der die maximale Strahlung beobachtet wird. Die Durchschnitts- und RMS-Werte werden dann über eine Reihe von Ereignissen berechnet und dann mit den Simulationen verglichen.

Auger und High-Res sind sich in diesem Punkt weiterhin uneins. Sie können die Auger-Daten hier (arxiv abs) auf Seite 11 des Autors oder Seite 16 des pdf sehen. Die roten Linien sind für die Vorhersagen für Protonen über verschiedene hadronische Wechselwirkungsmodelle und die blauen Linien für Eisen. Auger scheint eindeutig eine schwere (oder zumindest schwerere) Komposition bei den höchsten Energien zu bevorzugen.

Hochauflösende Daten begünstigen die Protonenzusammensetzung bis zu den höchsten Energien. Natürlich haben sie deutlich weniger Daten, aber sie behaupten immer noch ein signifikantes Ergebnis. Ihre Daten werden hier (arxiv abs) zusammen mit hübschen Diagrammen repräsentativer Schauerereignisse präsentiert.

Ein bekanntes Problem in der hadronischen Simulation ist, dass niederenergetische Myonen nicht korrekt berücksichtigt werden. Es ist ein Problem, an dessen Behebung CR- und LHC-Physiker zusammenarbeiten, aber es wird wahrscheinlich mindestens ein oder zwei Jahre dauern, bis es in die notwendigen Modelle integriert wird. Außerdem gibt es eine Arbeitsgruppe, die sich aus Mitgliedern von Auger und High-Res zusammensetzt und daran arbeitet, die Anzahl der anhaltenden Diskrepanzen zwischen den beiden Experimenten zu beseitigen. Während das Größte mit dem Energiespektrum zu tun hat, bin ich sicher, dass dies auch auf ihrer Liste steht.

Eine ziemlich umfassende Übersicht von Auger finden Sie hier (arxiv abs) .

Fazit: Dies ist ein sehr offenes Problem. Zukünftige Teleskope wie JEM-EUSO auf der ISS können hier möglicherweise die Daten verbessern und dieses Problem lösen. Außerdem könnten verbesserte Daten vom LHC die Experimente in Übereinstimmung bringen oder die Systematik der Experimente das Problem lösen. Schließlich kann JEM-EUSO genügend Daten liefern, die mit galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldinformationen (die dramatisch verbessert werden müssten) begrenzt werden könnten, um der Ladung einige Grenzen zu setzen, sobald eine oder mehrere Quellen identifiziert sind .

Vielen Dank, dass Sie meine Frage direkt beantwortet haben! Ich habe zwei Teilfragen, wenn Sie das näher erläutern können: (1) Können diese Ereignisse Photonen sein? Oder würde das EAS einfach völlig falsch aussehen? (2) Können Sie etwas näher erläutern (oder mich mit einer Quelle verlinken), wie die LHC-Physik ins Spiel kommt? Das ist für mich interessant, da ich selbst ATLAS-Student bin.
1. Nein. Photonen erreichen diese hohen Energien nicht. Der Top-Performer dort ist HAWC (Arxiv Overview Abs Page) , das gerade in Mexiko gebaut wird (sollte bald online sein). Der Grund hat mehr mit der Fortpflanzung zu tun. Die Zusammenfassung hier (arxiv abs) sollte einige Gründe dafür liefern (im Grunde paarweise produzieren sie oder doppelt paarweise produzieren). 2. Der LHC hilft bei pdf-Messungen, die in Hadronschauer-Simulationen verwendet werden. Dieses (arxiv abs) Papier bietet einen guten Überblick.

Ich bin hier etwas außerhalb meiner Fachkenntnisse, und vielleicht wird jemand mitkommen, der sich im Detail auskennt, aber hier geht es ...

  • Die Zusammensetzung der kosmischen UHE-Strahlung wird nicht direkt gemessen, da sie zu selten ist, um die Installation eines Spektrometers zu rechtfertigen, das ausreicht, um sie im Weltraum zu testen.
  • Die Zusammensetzung normaler kosmischer Strahlung wurde getestet und es handelt sich hauptsächlich um Protonen mit einigen schwereren stabilen Teilchen. Die Tests werden durchgeführt, indem ein kleines supraleitendes Magnetspektrometer auf einem Satelliten installiert wird. Diese Missionen haben eine begrenzte Lebensdauer, waren aber sehr erfolgreich. Die kosmische Strahlung muss stabil sein, denn Zeitdilatation hin oder her, sie waren lange unterwegs: Die gesamte instabile ursprüngliche Zusammensetzung ist zerfallen.
  • UHE-Ereignisse kommen von so weit weg , dass sie trotz der Wildheit auch stabil sein müssen γ .
  • Kosmische UHE-Strahlen werden in unglaublich energetischen Ereignissen erzeugt.

Angesichts all dessen wird es vernünftig, Protonen anzunehmen.

Bei Punkt 3 meinst du wohl die GZK-Grenze? Aber GZK geht davon aus, dass CR Protonen sind; ein nichtnuklearer Kandidat wäre möglicherweise schwächeren Wechselwirkungen mit CMB-Photonen ausgesetzt.
Ja. Ich hatte vielleicht ein allzu rosiges Verständnis der realen Situation. Ich habe nach arXiv-Papieren gesucht, um zu unterstützen, was ich zu wissen glaubte, und sie scheinen nicht da zu sein.
Betreff: Punkt 1&2; Ich wusste, dass wir gemessen hatten, dass das untere Spektrum hauptsächlich aus Protonen besteht, aber eine Extrapolation kann gefährlich sein! Es ist das Hochenergiespektrum, das potenziell problematisch ist, daher müssen wir vorsichtig sein, was wir über Niedrigenergie-CRs wissen. Und tatsächlich haben wir so wenige Beobachtungen von UHEs, dass es schwierig wäre, Vergleiche zwischen verschiedenen Zusammensetzungen anzustellen, weshalb ich mir darüber Sorgen mache;)
Es tut mir leid, aber ich verstehe nicht, wie irgendetwas davon zB Alpha-Teilchen oder andere stabile Teilchen ausschließt.
@EmilioPisanty Tut es nicht. Ich hätte dies gelöscht, nachdem Kyles Antwort eingegangen war, nur er spielt auf diese Antwort an.
Bezüglich des GZK-Problems in Bezug auf Protonen ist zu beachten, dass schwere Kerne auch Energie (und Nukleonen) durch Wechselwirkungen mit dem CMB verlieren. In jedem Fall sagt uns dies, dass sowohl Protonen als auch schwerere Kerne von relativ nahe kommen müssen, nicht von relativ weit. Was das Spektrometer im Weltraum betrifft, so würde es nicht nur eine große effektive Fläche für die niedrige Rate benötigen (<1 pro km^2 pro 100 Jahre), sondern es würde auch ein großes Volumen (eigentlich Masse) benötigen, um den gesamten Luftschauer aufzunehmen und Energie richtig rekonstruieren.

Die Leute sind bemerkenswert schüchtern, wenn es darum geht, explizite Kompositionen zu nennen. Ich schlage vor, die Pierre Auger Collaboration für Datensätze oder explizite Referenzen zu kontaktieren,

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

arXiv:1106.3048, The Pierre Auger Collaboration
Z = 6 (219 Ereignisse), 13 (797 Ereignisse), 26 (2887 Ereignisse) für ein Winkelfenster von 18◦ um Cen A herum. Ein weiteres Beispiel wird gegeben.

arXiv:1201.6265 „Untersuchung der Kernmassenzusammensetzung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlen mit dem Pierre-Auger-Observatorium.“ Ich sehe keine nuklearen Massen aufgelistet, obwohl es einige suggestive Grafiken gibt.

arXiv:1312.7459 "Galaktische CRs sollten sich auf Energien in der Größenordnung von einigen 10^17 eV erstrecken und dass bei solchen Energien die chemische Zusammensetzung von Eisenkernen dominiert werden sollte." „Sollte“ wird nicht durch aufgeführte Zahlen untermauert

http://www.slac.stanford.edu/econf/C040802/papers/L020.PDF
4.2 Chemische Zusammensetzung von UHECR Ich sehe keine chemischen Zusammensetzungen.

Danke für die Referenzen. In arXiv:1106.3048 geben sie an, dass die chemische Zusammensetzung durch den Vergleich der Struktur der beobachteten Luftschauer mit Monte-Carlo-Simulationen abgeleitet wird. Für die UHEs haben wir jedoch nur vielleicht Hunderte von Datenpunkten; Es scheint sehr schwierig zu sein, diese Technik zu verwenden, um auf eine Zusammensetzung oberhalb des GZK-Grenzwertes zu schließen.
Anständige Erkennungsstatistiken erfordern einen nahezu planetaren Erkennungsbereich. Würde das Magnetfeld der Erde sie aus relativistischen Gründen selektiv kanalisieren, wobei sich das Magnetfeld in eine elektrische Ladung umwandeln würde?
Biegeradius in einem Magnetfeld ist ∝ p / B , also nein. Das Magnetfeld der Erde ist kein nennenswerter Analysator.
Vergessen Sie nicht, dass das andere UHECR-Hauptexperiment, TA, in der Frage der Zusammensetzung beständig anderer Meinung ist als Auger. Wenn das Problem auf eine Systematik in ihrem Rekonstruktionsprozess zurückzuführen ist, können ihre Ergebnisse falsch sein.
Beobachtete Zusammensetzung der kosmischen UHE-Strahlung
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