💥 Eine universelle Eigenschaft in allen kosmischen Strahlen entdeckt

Die internationale Beobachtungsmission für kosmische Strahlung enthüllt eine Schlüsseleigenschaft dieser Strahlen und markiert einen bedeutenden Fortschritt für das Verständnis ihres Ursprungs.

Ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung bleiben kosmische Strahlen – diese extrem energiereichen Teilchen aus den Weiten des Universums – für Wissenschaftler ein Rätsel. Das Weltraumteleskop DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) nimmt sich dieses Phänomens an, indem es insbesondere die Rolle untersucht, die dunkle Materie bei ihrer Entstehung spielen könnte.


Diese internationale Mission, an der auch die Universität Genf (UNIGE) beteiligt ist, erzielt heute einen bedeutenden Fortschritt, indem sie eine universelle Eigenschaft dieser Strahlen nachweist. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Kosmische Strahlen sind die energiereichsten Teilchen, die im Universum beobachtet werden, und übertreffen die Energie der von künstlichen Beschleunigern auf der Erde erzeugten Teilchen bei weitem. Ihr genauer Ursprung wird noch erforscht, und man nimmt an, dass sie von extremen astrophysikalischen Phänomenen wie Supernovae, Jets von Schwarzen Löchern oder Pulsaren stammen.

Das 2015 gestartete Weltraumteleskop DAMPE soll Antworten auf den Ursprung und die Natur der kosmischen Strahlen liefern. Diese Weltraummission, an der die Gruppe für Astroteilchenphysik des Departements für Kern- und Teilchenphysik (DPNC) der UNIGE einer der Hauptbeitragenden ist, berichtet heute über einen entscheidenden Fortschritt.

Dank der Analyse der vom Teleskop gesammelten hochpräzisen Messungen ist es den Wissenschaftlern gelungen, eine universelle Eigenschaft in den Energiespektren der primären kosmischen Strahlenkerne, von Protonen bis zu Eisen, nachzuweisen.

„Kosmische Strahlen bestehen hauptsächlich aus Protonen, aber auch aus Helium-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Eisenkernen“, erklärt Andrii Tykhonov, assoziierter Professor am Departement für Kern- und Teilchenphysik der Sektion Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Mitautor der Studie.

„Diese Strahlen werden auch nach ihrer Energie eingeteilt: niedrig, bis zu einigen Milliarden Elektronenvolt; mittel, von einigen Milliarden bis zu mehreren hundert Milliarden Elektronenvolt; und hoch, von 1.000 Milliarden Elektronenvolt und darüber hinaus.“

Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zu einem umfassenderen Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlen und der Mechanismen, die ihre Ausbreitung steuern, dar.

Eine neue gemeinsame Eigenschaft

Die Ergebnisse zeigen, dass bei allen untersuchten Kernen die Anzahl der Teilchen oberhalb eines bestimmten Werts immer schneller abnimmt. Dieses Phänomen wird als „spektrale Aufweichung“ bezeichnet. Normalerweise nimmt die Anzahl der Teilchen bereits mit zunehmender Energie ab, aber hier wird diese Abnahme noch ausgeprägter. Sie tritt bei einer Steifigkeit von etwa 15 TV (Teravolt) auf.

Die Steifigkeit eines Teilchens misst den Widerstand seiner Flugbahn gegenüber einem Magnetfeld. Die Beobachtung einer gemeinsamen Struktur bei dieser Steifigkeit unterstützt stark die Modelle, die erklären, dass Beschleunigung und Transport kosmischer Strahlen von der Steifigkeit der Teilchen abhängen.

Im Gegensatz dazu werden alternative Modelle, die nahelegen, dass die Energie pro Nukleon (die Energie geteilt durch die Anzahl der Nukleonen im Teilchen) ein Schlüsselfaktor sei, durch diese Messungen mit einer Sicherheit von 99,999 % stark widerlegt.

Das Genfer Team spielte eine zentrale Rolle bei diesem wissenschaftlichen Fortschritt. Es entwickelte unter anderem fortschrittliche Techniken der künstlichen Intelligenz zur Rekonstruktion der detektierten Ereignisse und trug zu Schlüsselmessungen der Protonen- und Heliumflüsse sowie zur Analyse des Kohlenstoffs bei.

Die Gruppe leitete auch die Entwicklung eines der wichtigsten Unterdetektoren von DAMPE, des Silicon-Wafer-Tracker (STK), eines wesentlichen Instruments für die präzise Rekonstruktion der Teilchenbahnen und die Messung ihrer Ladung.

Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zu einem umfassenderen Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlen und der Mechanismen, die ihre Ausbreitung in der Galaxie regulieren, dar. Sie liefern neue experimentelle Einschränkungen für Modelle der Beschleunigung in astrophysikalischen Quellen und des Teilchentransports im interstellaren Medium und ebnen so den Weg für eine genauere Beschreibung der Populationen hochenergetischer Teilchen.