Новости космоса и технологий. » Физика » Исследование устанавливает ограничения на поток тяжелых компактных объектов с использованием данных проекта Pi of the Sky

Исследование устанавливает ограничения на поток тяжелых компактных объектов с использованием данных проекта Pi of the Sky

Опубликовал: Admin, 4-10-2020, 01:01, Физика, 46, 0

Исследование устанавливает ограничения на поток тяжелых компактных объектов с использованием данных проекта Pi of the Sky

Странджлеты, и особенно ядерные, их тяжелые разновидности, представляют собой очень плотные, компактные и потенциально быстрые объекты, состоящие из большого и примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, которые могут населять Вселенную. Впервые об их существовании предположил Эдвард Виттен еще в 1984 году. Эти объекты никогда не были обнаружены раньше и до сих пор привлекали меньше внимания, чем метеоры, возможно, из-за того, что они не имеют отношения к физике элементарных частиц.

В конце 1984 года физики-теоретики Альваро Де Ружула и Шелдон Ли Глэшоу представили идею о том, что при пересечении атмосферы Земли ядерные элементы излучают свет подобно метеорам, теряя при этом очень мало своей энергии. Если их прогноз верен, команды, работающие в метеорных обсерваториях, должны иметь возможность подтвердить, существуют ли эти объекты или нет. Однако до сих пор очень немногие исследователи проводили исследования, изучающие эту возможность.

Другое космическое явление, уходящее корнями в физику элементарных частиц, известное как космические лучи сверхвысоких энергий, имеет некоторые из теоретических характеристик ядерных частиц. Эти космические лучи, по сути, также производят световые следы в атмосфере, хотя они делают это посредством другого физического процесса. Кроме того, они движутся намного быстрее ядер и обычно наблюдаются в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.

В отличие от ядер, ультра- высокая энергия космические лучи были обнаружены раньше. Тем не менее, это очень редкое явление с потоками менее 1 частицы на квадратный километр за 100 лет для самых высоких энергий. Таким образом, чтобы обнаружить их, ученым необходимо контролировать большие объемы атмосферы с помощью больших детекторов, что в конечном итоге также может привести к обнаружению ядерных образований.

Исследователи из RIKEN в Японии, Национального центра ядерных исследований в Польше, Университета Экс-Марселя-CNRS, Польской академии наук и Варшавского университета недавно провели поиск ядерных образований и других тяжелых компактных объектов на основе фотографических данных, собранных Детекторы "Pi of the Sky" в испытательном центре INTA El Arenosillo в Мазагаоне, недалеко от Уэльвы, Испания, и в обсерватории Лас Кампанас в Чили. Их статья, https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/1-studysetslim.jpg[/img]

«В старшей школе, когда я читал популярную статью о гипотетических« странностях »и о том, как они могут разрушить мир, я убедился, что я должен стать физиком элементарных частиц», - сказал Пиотровски. "Я стал одним из них, но в процессе я начал думать, что никогда не буду иметь ничего общего с этими странниками. Затем, несколько лет спустя, благодаря работе, которую я провел в рамках сотрудничества JEM-EUSO, я обнаружил, что с архивными данными моего старого эксперимента по наблюдению за небом Pi of the Sky, я мог бы внести существенный вклад в тему странностей. Так родилась эта статья ».

Основная идея исследования, проведенного Пиотровски и его коллегами, довольно проста. Когда кто-то смотрит в небо ночью, он /она теоретически должен быть в состоянии увидеть следы ядерных объектов и других тяжелых компактных объектов, точно так же, как он /она видит следы, оставленные метеорами или спутниками.

Однако следы ядерных и других тяжелых компактных объектов должны быть немного другими. Ядерлит должен иметь возможность проходить через всю атмосферу, поэтому световой след, который он оставляет, будет очень длинным и будет давать постоянную яркость, которая изменяется только в зависимости от физического расстояния до наблюдателя. Исследователи искали эти длинные следы на фотографиях, сделанных в рамках эксперимента «Пи неба».

«Увидев такой трек, мы получим кандидата, в то время как отсутствие каких-либо обнаружений позволит нам установить ограничение на поток ядерных частиц и других тяжелых компактных объектов», - пояснил Пиотровски. "Это включает в себя расчет общего времени наблюдений за небом и эффективной поверхности наблюдаемого объема неба, которая зависит от наведения детектора, а также от предположения, что объекты летели со всех возможных направлений, с одного направления или от некоторых конкретных конфигураций направления. Наконец, предел должен включать эффективность обнаружения детектора (которая может быть получена с помощью моделирования) и информацию о том, насколько хорошо мы можем различать интересующие объекты и другие треки, например, исходящие из метеоры и спутники ".

Детектор Pi of the Sky делает изображения неба с помощью камер CCD с установленными на них коммерческими фотообъективами без каких-либо фильтров. Таким образом, он может собирать изображения, которые примерно отражают то, что наблюдатель увидел бы, глядя на небо.

Экспозиция детектора длится примерно 10 секунд, а его камеры следят за движением звезд. Таким образом, его также можно использовать для сбора информации о том, как объем атмосферы изменился в течение ночи.

«Во время эксперимента« Пи неба »мы не предвидели каких-либо исследований, связанных с треками, и провели автоматический анализ звезд и звездных переходных процессов, после чего большая часть необработанных данных была отброшена», - сказал Пиотровски. «К счастью, оставшиеся необработанные данные за несколько лет и камеры были использованы для анализа, представленного в нашей статье».

Исследователи проанализировали все необработанные кадры, собранные детектором Pi of the Sky, отбросив примерно 50% из них из-за их низкого качества. Впоследствии они провели поиск изображений следов в оставшихся кадрах хорошего качества, которые включали 176605 часа наблюдений, собранных одной камерой, эквивалентной 20x20 градусам. Их поиск проводился с использованием алгоритма на основе преобразования Хафа, специально разработанного для идентификации следов на изображениях.

«Мы идентифицировали в данных почти 36000 треков, большинство из которых были автоматически классифицированы как метеоры или спутники, в основном на основании изменчивости их яркости (яркость ядерных частиц должна быть почти постоянной), остальные были отфильтрованы вручную, в результате осталось 29 кандидатов ", - сказал Пиотровский. «Девять из них были найдены в каталоге спутников, оставив 20 кандидатов. В будущих специализированных экспериментах эти кандидаты могут быть дополнительно классифицированы на основе их скорости, которая не может быть получена из проанализированных 10-секундных экспозиций».

Поскольку данные, использованные исследователями, не включали никакой информации, относящейся к скорости, они не смогли определить, являются ли 20 кандидатов, которых они не смогли идентифицировать, на самом деле ядерными или очень компактными.объекты. Однако, основываясь на доступных им данных, они считают, что вероятность того, что они будут тяжелыми компактными объектами, крайне маловероятна.

«Почти все из 20 оставшихся треков короче 500 пикселей (наша ПЗС-матрица составляет примерно 2000x2000 пикселей), в то время как для ядерных элементов мы ожидаем почти плоское распределение по всем возможным длинам треков, ограниченное почти только точкой входа в атмосферу. и край поля зрения ", - пояснил Пиотровски. «Таким образом, кандидатами являются, скорее всего, спутники или метеоры, а часть трека наших камер слишком коротка, чтобы показать характерную изменчивость яркости».

Основываясь на результатах, которые они собрали до сих пор, Пиотровски и его коллеги предполагают, что проанализированные ими изображения не содержат следов ядерных частиц или других тяжелых компактных объектов, поэтому они намеревались установить ограничение на их поток на основе доступных им данных. Для этого они рассчитали эффективную поверхность объема атмосферы, содержащуюся в каждом кадре, которая зависела от направления, в котором указывала камера, гипотетической массы ядерных частиц и предполагаемой эффективности обнаружения ядерных частиц с использованием конкретной конфигурации камеры.

Эффективность обнаружения ядерных частиц была рассчитана путем наложения представлений ядерных следов на реальные изображения неба и запуска алгоритма обнаружения треков на основе преобразования Хафа на этих искусственных /смоделированных данных. Поскольку ядерные объекты никогда ранее не наблюдались, инструменты моделирования особенно полезны для их изучения и демонстрации того, как они будут выглядеть.

В конце концов, исследователи изменили предел потока на основе «эффективности разделения» (то есть оценочного значения, которое описывает, насколько хорошо они смогут отличить следы ядерных частиц от световых следов, создаваемых метеорами, спутниками и другими обычно наблюдаемыми объектами). Это значение было получено из распределения длин 20 треков, которые они не смогли идентифицировать во время поиска.

«Кривизна нашей предельной линии обусловлена ​​двумя факторами», - пояснил Пиотровски. «Во-первых, чем меньше масса ядерлита, тем он тусклее и ниже чувствительность нашего детектора. Этот эффект преобладает в нижних массах, где эффективность обнаружения очень мала. Во-вторых, чем тяжелее ядерлит, тем выше он в атмосфере. может начать излучать свет. Таким образом, наблюдаемый объем атмосферы больше для более тяжелых ядерных частиц, что позволяет установить лучший предел на поток. Это преобладает над самыми высокими массами, где эффективность обнаружения становится независимой от массы ».

Экзотические состояния вещества, которые нельзя непосредственно наблюдать с Земли, были в центре внимания многочисленных прошлых исследований. Открытие новых форм веществ, пересекающих атмосферу, будет иметь важные последствия для изучения физики, астрофизики, астрономии и, возможно, других научных областей.

Ограничения на поток тяжелых компактных объектов, установленные Пиотровским и его коллегами, могут стать важным шагом на пути к лучшему пониманию природы тяжелых компактных объектов. Например, они могли бы направлять будущие исследования, изучающие существование стабильной кварковой материи во Вселенной.

«Теперь у нас также есть экспериментальное подтверждение того, что тяжелые компактные объекты в данном диапазоне масс не могут пересекать атмосферу в больших количествах», - сказал Пиотровски. «Это отправная точка для проверки конкретных моделей для каждого тяжелого компактного типа [url=https://phys.org/tags/object/] Объекта И его возможного источника во Вселенной. Но есть также и более приземленная причина для проведенного исследования. До сих пор кажется что никто не искал тяжелые компактные объекты в анализируемом диапазоне масс; как ученые, мы должны исследовать такую ​​terra incognita, потому что часто там таится что-то новое. На этот раз этого не произошло, не с нашей нынешней чувствительностью, но это было первый шаг."

Недавнее исследование, проведенное этой группой исследователей, также доказывает, что чисто астрофизические эксперименты могут иметь большое значение для изучения физики элементарных частиц. Пока астрофизика и физика элементарных частиц тесно связаны, на самом деле идеи, предложенные Виттеном, Ружулой и Глэшоу в 1984 г., в течение нескольких десятилетий в основном не проверялись и не рассматривались физиками элементарных частиц.

В будущем статья, написанная Пиотровским и его коллегами, может вдохновить другие группы по всему миру на поиск ядерных объектов или других тяжелых компактных объектов. Между тем, исследователи планируют продолжить изучение этой темы, чтобы еще больше сузить поиск неуловимых космологических объектов.

«Полученные пределы теперь можно использовать и модифицировать, чтобы наложить ограничения на определенные типы тяжелых компактных объектов и их распределение в галактике /вселенной», - сказал Пиотровски. «Во-вторых, также важно улучшить пределы. Это будет сделано в будущих экспериментах: наземных, посвященных обнаружению тяжелых компактных объектов, и орбитальных, наблюдающих за огромными объемами атмосферы».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии