قياس طيف إلكترونات الأشعة الكونية عالية الطاقة
تحليل جديد لأكثر من عقد من الملاحظات يوسع طيف إلكترونات الأشعة الكونية إلى طاقات غير مسبوقة.
توفر الإلكترونات والبوزيترونات الناتجة عن الأشعة الكونية، على الرغم من أنها أقل عددًا بكثير من البروتونات والنوى الأخرى، رؤى أساسية حول العمليات عالية الطاقة التي تحدث في مجرتنا. لقد حقق تعاون نظام التصوير الثلاثي الأبعاد عالي الطاقة (H.E.S.S.) تقدمًا ملحوظًا في هذا المجال من خلال قياسه التفصيلي للغاية لطيف الإلكترونات والبوزيترونات الناتجة عن الأشعة الكونية، الذي يمتد إلى 40 تيفي 1. انتهت القياسات السابقة لهذا الطيف عند أقل من 5 تيفي 2، 3. تكشف بيانات فريق H.E.S.S.، التي تم جمعها على مدى 12 عامًا، عن تفاصيل غير مسبوقة، خاصة حول “انكسار” مميز عند حوالي 1 تيفي حيث تزداد انحدار الطيف. تؤكد النتائج أن هذا الانكسار هو من بين أبرز وألغاز السمات عبر الطيف الكامل للأشعة الكونية، مما يمثل تحديًا لفهمنا لأصول الأشعة الكونية المجريّة. بالإضافة إلى ذلك، فإن القانون القوي الذي تم اكتشافه تقريبًا بدون ميزات بعد الانكسار، المستدام على مدى ترتيب كامل في الطاقة، يفرض قيودًا كبيرة على دور المصادر المحلية التي تساهم في التدفق المقاس، وكذلك على آليات الإنتاج البديلة، مثل الانهيار أو التحلل المحتمل لجسيمات المادة المظلمة في درب التبانة. مع هذه القياسات الرائدة، نحصل الآن على رؤى أوضح حول مسرعات الأشعة الكونية المحلية وكيفية انتشار الجسيمات عالية الطاقة عبر المجرة.
الإلكترونات الناتجة عن الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة تفقد الطاقة بسرعة أثناء السفر عبر المجرة، أساسًا بسبب التفاعلات مع المجالات المغناطيسية المجريّة والإشعاع الخلفي. يحد فقدان الطاقة هذا من مدى انتشارها—خاصة عند الطاقات العالية—مما يثير الآمال في الكشف عن بصمات في طيف الجسيمات من مسرعات الأشعة الكونية القريبة. من خلال تحديد هذه المسرعات المحلية—الأرجح أنها نبضات وقطع نجمية—قد نكتشف مصادر الأشعة الكونية. دافع آخر لاستكشاف الطرف العالي من الطيف يكمن في إمكانية اكتشاف الإلكترونات الناتجة عن الأشعة الكونية الناتجة من عمليات غريبة، مثل الانهيار المظلم، والتي قد تكون أكثر قابلية للرصد عند الطاقات العالية حيث تتناقص التدفقات الفلكية التقليدية.
تتمثل إحدى التحديات الرئيسية في قياس إلكترونات الأشعة الكونية، خاصة من خلال طرق غير مباشرة مثل تلك المستخدمة من قبل تعاون H.E.S.S، في تمييزها عن البروتونات والنوى الأخرى التي تتوفر بكثرة أكبر. تُعتبر أعمال تعاون H.E.S.S مذهلة نظرًا للكمية الكبيرة من البيانات عالية الجودة التي جمعها. باستخدام مجموعة من تلسكوبات تشيرينكوف في ناميبيا (شكل 1)، قامت الفرقة بتحسين تقنيات تمييز الجسيمات لتحقيق نسبة رفض للبروتونات تبلغ 10,000 إلى 1، مما يسمح بعزل أحداث الإلكترونات بثقة عالية (تشمل الطيف أيضًا مساهمة من البوزيترونات الناتجة عن الأشعة الكونية). يُوصف الطيف الناتج لإلكترونات الأشعة الكونية بشكل أفضل من خلال قانون القوة المنكسر: تحت 1 تيرافولت، يكون مؤشر الطيف (أس قانون القوة) حوالي 3.25، بينما فوق 1 تيرافولت يتزايد بشكل ملحوظ إلى حوالي 4.49 (شكل 2). يعني مؤشر الطيف الأعلى أن تدفق الأشعة الكونية يتناقص بسرعة أكبر عند الطاقات الأعلى.
تم تحديد الكسر الطيفي عند 1 تيرافولت سابقًا بواسطة تجارب قائمة على الفضاء مثل CALET وDAMPE [2, 3]; ومع ذلك، كانت هذه التجارب تفتقر إلى القدرة على تمديد القياسات إلى مدى متعدد التيرافولت، وهو أمر ضروري لفهم أصل الكسر. في البداية، كان يُعتقد أن هذا التزايد في حدة الطيف ناتج عن خسائر الطاقة أثناء سفر الإلكترونات عبر المجرة. ومع ذلك، تشير القياسات الحديثة لنوى الأشعة الكونية، مثل نسبة البورون إلى الكربون التي تم رصدها بواسطة AMS-02 (تجربة أخرى قائمة على الفضاء)، وCALET، وDAMPE [4–6], إلى أن زمن إقامة الأشعة الكونية عند هذه الطاقة غير متوافق مع كون الكسر ناتجًا بشكل أساسي عن خسارة الطاقة البسيطة. علاوة على ذلك، أظهرت H.E.S.S أن الكسر عند 1 تيرافولت أكثر حدة مما كان متوقعًا سابقًا، وهو ما يتعارض مع أصل مرتبط بالانتشار الانتشاري لهذه الجسيمات عبر المجرة.
تطرح إحدى التفسيرات البديلة فكرة أن الكسر قد ينشأ من تأثير عدد محدود من المصادر القريبة. ومع ذلك، مع قياسات تُظهر قانون قوة بلا ميزات يمتد حتى 40 تيرافولت، تفرض H.E.S.S قيودًا صارمة على دور هذه المصادر المحلية، التي من المتوقع أن تشمل مساهمتها في التدفق المرصود نتوءات ووديان. نظرًا لعدم وجود تفسير مقنع، من المحتمل أن تدفع هذه النتائج إلى إعادة تقييم نماذج تسريع الأشعة الكونية، خاصة للإلكترونات، في السعي لفهم كيف يقوم المسرعات المجريّة بتسريع هذه الجسيمات من الوسط بين النجمي البارد إلى سرعات نسبية. كما أن عدم وجود ميزات في قانون القوة هذا بعد 1 تيرافولت ملحوظ بشكل خاص لعدم وجود قمة مميزة حول 1.4 تيرافولت. سابقًا، تم رصد تلميحات لوجود مثل هذه القمة في بيانات من DAMPE، التي تكهن البعض بأنها قد تشير إلى علامة من علامات المادة المظلمة [7].
إن تداعيات هذه النتائج كبيرة. أولاً، إنها تضيق من المرشحين المحتملين لمصادر إلكترونات الأشعة الكونية القريبة. بينما يصبح انسحاب المادة المظلمة كسبب أقل احتمالًا، تظل المصادر التقليدية، مثل النجوم النابضة أو بقايا المستعرات العظمى، قابلة للتصديق. كما تثير هذه الأعمال تساؤلات مثيرة حول الآليات التي تحكم انتشار الجسيمات عند هذه الطاقات العالية. من المحتمل أن تركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز تمييز الجسيمات بشكل أكبر، ربما من خلال تقنيات التعلم الآلي، وعلى تمديد نطاق الطاقة للقياسات المباشرة لالتقاط إلكترونات ذات طاقات أعلى. لقد حدد تعاون H.E.S.S معيارًا جديدًا في فيزياء الأشعة الكونية، ولكن لا يزال هناك الكثير لاكتشافه حول الكون عالي الطاقة.
المراجع
- F. Aharonian وآخرون. (تعاون H.E.S.S.)، “قياس عالي الإحصائيات لطيف إلكترونات الأشعة الكونية باستخدام H.E.S.S.”، Phys. Rev. Lett. 133، 221001 (2024).
- O. Adriani وآخرون. (تعاون CALET)، “قياس موسع لطيف إلكترونات وبوزيترونات الأشعة الكونية من 11 جيجا فولت إلى 4.8 تيرا فولت باستخدام تلسكوب الإلكترون الكالوري على محطة الفضاء الدولية”، Phys. Rev. Lett. 120، 261102 (2018).
- تعاون DAMPE، “الكشف المباشر عن كسر في طيف الأشعة الكونية للتيرا إلكترون فولت من الإلكترونات والبوزيترونات”، Nature 552، 63 (2017).
- M. Aguilar وآخرون. (تعاون AMS)، “قياس دقيق لنسبة تدفق البورون إلى الكربون في الأشعة الكونية من 1.9 GV إلى 2.6 TV باستخدام مطياف ألفا المغناطيسي على محطة الفضاء الدولية”، Phys. Rev. Lett. 117، 231102 (2016).
- O. Adriani وآخرون. (تعاون CALET)، “تدفق البورون في الأشعة الكونية مقاس من 8.4 جيجا فولت/ن إلى 3.8 تيرا فولت/ن باستخدام تلسكوب الإلكترون الكالوري على محطة الفضاء الدولية”، Phys. Rev. Lett. 129، 251103 (2022).
- تعاون DAMPE، “الكشف عن صلابة الطيف في نسب تدفق البورون إلى الكربون والبرون إلى الأكسجين باستخدام DAMPE”، Sci. Bull. 67، 2162 (2022).
- Y.-Z. Fan وآخرون.، “نموذج يشرح كتل النيوترينو وزيادة إلكترونات الأشعة الكونية من DAMPE”، Phys. Lett. B 781، 83 (2018).
عن المؤلف
المصدر: المصدر