Strangelets, e especificamente nuclearites, suas espécies pesadas, são muito densos, objetos compactos e potencialmente rápidos feitos de números grandes e quase iguais de até, baixo e quarks estranhos, que pode habitar o universo. Sua existência foi levantada pela primeira vez por Edward Witten em 1984. Esses objetos nunca foram detectados antes e até agora atraíram menos atenção do que meteoros, talvez devido à sua falta de relevância na física de partículas.

No final de 1984, os físicos teóricos Alvaro De Rujula e Sheldon Lee Glashow introduziram a ideia de que, ao cruzar a atmosfera da Terra, nuclearites produzem luz de forma semelhante aos meteoros, perdendo muito pouco de sua energia no processo. Se a previsão deles estiver certa, as equipes que trabalham em observatórios de meteoros devem ser capazes de confirmar se esses objetos existem ou não. Até aqui, Contudo, muito poucos pesquisadores conduziram estudos investigando essa possibilidade.

Um fenômeno cósmico diferente enraizado na física de partículas, conhecidos como raios cósmicos de ultra-alta energia, compartilha algumas das mesmas características teorizadas de nuclearites. Esses raios cósmicos, na verdade, também produzem rastros de luz na atmosfera, embora eles façam isso por meio de um processo físico diferente. Além disso, eles se movem muito mais rápido do que as nuclearidades e geralmente são observados na faixa ultravioleta (UV).

Ao contrário das nuclearidades, raios cósmicos de ultra-alta energia já foram detectados antes. Apesar disso, eles são um fenômeno muito raro, com fluxos inferiores a 1 partícula por quilômetro quadrado por 100 anos para as energias mais altas. Para detectá-los, os cientistas, portanto, precisam monitorar grandes volumes da atmosfera usando grandes detectores, o que poderia eventualmente levar à detecção de nuclearidades.

Pesquisadores da RIKEN no Japão, o Centro Nacional de Pesquisa Nuclear da Polônia, Aix Marseille University-CNRS, a Academia Polonesa de Ciências e a Universidade de Varsóvia realizaram recentemente uma pesquisa por nuclearidades e outros objetos compactos pesados ​​com base em dados fotográficos coletados pelos detectores "Pi of the Sky" no centro de testes INTA El Arenosillo em Mazagaon, perto de Huelva, Espanha e no Observatório Las Campanas no Chile. Seu papel, journals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.125.091101 "> publicado em Cartas de revisão física , apresenta um conjunto de limites que podem orientar pesquisas futuras por objetos compactos pesados ​​no universo.

"Tive a ideia de observar nuclearites com uma câmera quando me juntei à colaboração JEM-EUSO, que pretende construir um telescópio ultravioleta orbital monitorando a atmosfera da Terra, procurando principalmente por raios cósmicos, mas também nuclearites, meteoros e outros fenômenos, "Lech Wiktor Piotrowski, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Um volume muito maior da atmosfera é visível da órbita em comparação com os observatórios no solo, assim, as chances de detecção aumentam em uma ordem de magnitude. "

O objetivo principal do estudo recente de Piotrowski e seus colegas era descobrir nuclearidades ou outros objetos compactos pesados ​​cruzando a atmosfera em fotografias tiradas pelos detectores Pi do Céu, ou pelo menos definir limites em seu fluxo, se a pesquisa não produziu resultados positivos.

Embora o telescópio ultravioleta final desenvolvido pela colaboração JEM-EUSO pudesse ajudar no estudo de vários fenômenos cosmológicos, os pesquisadores ainda não começaram a usá-lo para coletar observações (embora os dados de experimentos de precursores menores estejam sendo analisados). Em seu estudo recente, eles então decidiram usar os dados terrestres disponíveis coletados como parte do experimento Pi of the Sky.

A previsão de que as nuclearidades produzem luz ao cruzarem a atmosfera é baseada em estimativas de sua densidade e velocidade potencial. Essa característica poderia, portanto, ser compartilhada por outros objetos cosmológicos de diferentes naturezas.

Desde De Rujula e Glashow introduziram sua teoria em 1984, a lista de objetos que supostamente deixam traços de luz na atmosfera da Terra cresceu substancialmente, também incluindo objetos que não são diretamente relevantes para o campo da física de partículas, como pequenos buracos negros primordiais. Embora sua busca por nuclearidades tenha sido infrutífera, permitiu a Piotrowski e seus colegas definir uma série de limites que poderiam restringir pesquisas futuras por nuclearidades e outros objetos compactos pesados ​​no universo.

"No ensino médio, lendo um artigo popular sobre hipotéticos 'strangelets' e como eles podem destruir o mundo, me convenceu de que eu deveria me tornar um físico de partículas, "Piotrowski disse." Eu me tornei um, mas no processo, Comecei a pensar que nunca terei nada a ver com aqueles strangelets. Então, alguns anos depois, graças ao trabalho que realizei no âmbito da colaboração JEM-EUSO, Descobri que, com dados de arquivo do meu antigo experimento Pi of the Sky, Eu poderia dar uma contribuição substancial ao tópico dos strangelets. Foi assim que nasceu este jornal. "

A ideia central por trás do estudo realizado por Piotrowski e seus colegas é bastante simples. Quando alguém olha para o céu à noite, ele / ela deve teoricamente ser capaz de ver os rastros de nuclearites e outros objetos compactos pesados, assim como ele vê aqueles deixados por meteoros ou satélites.

Os rastros deixados por nuclearites e outros objetos compactos pesados, Contudo, deve ser ligeiramente diferente. Uma nuclearite deve ser capaz de passar por toda a atmosfera, assim, o rastro de luz que ele deixa seria muito longo e emitiria um brilho constante que só muda com base na distância física com um observador. Os pesquisadores procuraram essas longas trilhas em fotografias tiradas como parte do experimento Pi of the Sky.

"Ver tal faixa nos daria um candidato, embora a falta de quaisquer detecções nos permitiria definir um limite para o fluxo de nuclearites e outros objetos compactos pesados, "Piotrowski explicou." Isso envolve o cálculo do tempo total de observações do céu e uma superfície efetiva do volume do céu observado, que depende do detector apontando, bem como na suposição de que os objetos vinham de todas as direções possíveis, de uma única direção ou de algumas configurações de direção específicas. Finalmente, o limite deve incluir a eficiência de detecção do detector (que pode ser obtida por meio de simulações), e informações sobre o quão bem podemos distinguir entre os objetos de interesse e outras faixas, como os que vêm de meteoros e satélites. "

O detector Pi of the Sky tira imagens do céu usando câmeras CCD com lentes fotográficas comerciais montadas nelas, sem quaisquer filtros. Ele pode, portanto, coletar imagens que refletem aproximadamente o que um observador humano veria ao olhar para o céu.

As exposições do detector duram aproximadamente 10 segundos e suas câmeras seguem o movimento das estrelas. Portanto, também pode ser usado para coletar informações sobre como o volume da atmosfera mudou durante a noite.

"Durante o experimento Pi of the Sky, não previmos nenhuma pesquisa relacionada a trilhas, e realizou uma análise automática de estrelas e transientes semelhantes a estrelas, após o qual a maioria dos dados brutos foi descartada, "Piotrowski disse." Os dados brutos restantes, felizmente, abrangendo vários anos e câmeras, foi usado para a análise apresentada em nosso artigo. "

Os pesquisadores analisaram todos os quadros brutos coletados pelo detector Pi of the Sky, descartando aproximadamente 50% deles devido à sua má qualidade. Subseqüentemente, eles procuraram por imagens de faixas nos quadros de boa qualidade restantes, que incluiu 1766,05 h de observações coletadas por um único, Equivalente de câmera de 20x20 graus. A pesquisa foi conduzida usando um algoritmo baseado na transformada de Hough projetado especificamente para identificar faixas em imagens.

"Identificamos quase 36, 000 faixas nos dados, a maioria dos quais foram classificados automaticamente como meteoros ou satélites com base principalmente na variabilidade de seu brilho (o brilho de uma nuclearite deve ser quase constante), o restante foi filtrado manualmente, deixando 29 candidatos, "Piotrowski disse." Nove deles foram encontrados em um catálogo de satélites, deixando 20 candidatos. Em futuros experimentos dedicados, esses candidatos podem ser classificados com base em sua velocidade, que não pode ser derivada das exposições de 10 segundos analisadas. "

Como os dados utilizados pelos pesquisadores não incluíram nenhuma informação relacionada à velocidade, eles não foram capazes de determinar se os 20 candidatos que não conseguiram identificar são de fato nuclearidades ou objetos compactos pesados. Contudo, com base nos dados disponíveis para eles, eles pensam que a possibilidade de serem objetos compactos pesados ​​é altamente improvável.

"Quase todas as 20 faixas restantes têm menos de 500 pixels (nosso CCD tem aproximadamente 2.000 x 2.000 pixels), enquanto para os nuclearites, esperamos uma distribuição quase plana em todos os comprimentos de pista possíveis, limitado quase apenas pelo ponto de entrada na atmosfera e a borda do campo de visão, "Piotrowski explicou." Os candidatos são, portanto, mais provavelmente satélites ou meteoros, com uma parte de uma trilha em nossas câmeras muito curta para mostrar a variabilidade característica de brilho. "

Com base nos resultados que coletaram até agora, Piotrowski e seus colegas presumem que as imagens que analisaram não contêm vestígios de nuclearites ou outros objetos compactos pesados, assim, eles se propuseram a colocar um limite em seu fluxo com base nos dados disponíveis para eles. Para fazer isso, eles calcularam a superfície efetiva do volume da atmosfera contido em cada quadro, que dependia da direção para a qual a câmera apontava, a massa hipotética de nuclearites e a eficiência estimada da detecção de nuclearites usando a configuração específica da câmera.

A eficiência da detecção de nuclearite foi calculada sobrepondo representações de rastros de nuclearite em imagens reais do céu e executando o algoritmo de detecção de rastros baseado na transformada de Hough nestes dados artificiais / simulados. Como nuclearites nunca foram observados antes, ferramentas de simulação são particularmente úteis para estudá-los e mostrar como seriam.

Em última análise, os pesquisadores mudaram o limite de fluxo com base na "eficiência de separação" (ou seja, um valor estimado que descreve o quão bem eles seriam capazes de distinguir os rastros de nuclearite dos rastros de luz produzidos por meteoros, satélites e outros objetos comumente observados). Este valor foi derivado da distribuição de comprimento das 20 faixas que eles não conseguiram identificar durante a pesquisa.

"A curvatura de nossa linha limite vem de dois fatores, "Piotrowski explicou." Primeiro, quanto menor a massa nuclearita, quanto mais escuro for e menor será a sensibilidade do nosso detector. Este efeito domina as massas inferiores, onde a eficiência de detecção é muito pequena. Segundo, quanto mais pesado o nuclearite, quanto mais alto na atmosfera ele pode começar a emitir luz. Assim, o volume da atmosfera observado é maior para nuclearites mais pesadas, permitindo definir um limite melhor no fluxo. Isso domina as massas mais altas, onde a eficiência de detecção torna-se independente da massa. "

Estados exóticos da matéria que não podem ser observados diretamente da Terra têm sido o foco de numerosos estudos de pesquisa anteriores. Desvendar novas formas de assuntos que cruzam a atmosfera teria implicações importantes para o estudo da física, astrofísica, astronomia e potencialmente outros campos científicos também.

Os limites para o fluxo de objetos compactos pesados ​​estabelecidos por Piotrowski e seus colegas podem ser um passo importante para uma melhor compreensão da natureza dos objetos compactos pesados. Por exemplo, eles poderiam guiar estudos futuros que investiguem a existência de matéria quark estável no universo.

"Agora também temos uma confirmação experimental de que objetos compactos pesados ​​na faixa de massa dada não podem cruzar a atmosfera em grandes números, "Disse Piotrowski." Este é um ponto de partida para a verificação dos modelos específicos para cada tipo de objeto compacto pesado e sua possível origem no universo. Mas também há uma razão mais mundana para o estudo realizado. Até agora, parece que ninguém havia procurado por objetos compactos pesados ​​na faixa de massa analisada; como cientistas, devemos explorar essa terra incógnita, porque frequentemente, algo novo se esconde lá. Não desta vez, não com nossa sensibilidade atual, mas este foi um primeiro passo. "

O recente estudo realizado por esta equipe de pesquisadores também prova que experimentos puramente astrofísicos podem ser de grande valor para o estudo da física de partículas. Embora a astrofísica e a física de partículas estejam intimamente relacionadas, na verdade, as ideias apresentadas por Witten, Rujula e Glashow em 1984 permaneceram em grande parte não testados ou tratados por físicos de partículas por várias décadas.

No futuro, o artigo de autoria de Piotrowski e seus colegas pode inspirar outras equipes em todo o mundo a pesquisar nuclearidades ou outros objetos compactos pesados. Enquanto isso, os pesquisadores planejam continuar explorando este tópico também, a fim de restringir ainda mais a busca por objetos cosmológicos indescritíveis.

"Os limites obtidos agora podem ser usados ​​e modificados para colocar restrições em tipos específicos de objetos compactos pesados ​​e sua distribuição na galáxia / universo, "Piotrowski disse." Em segundo lugar, também é importante melhorar os limites. Isso será feito em experimentos futuros:os no solo dedicados ao propósito de detectar objetos compactos pesados, e orbitais observando grandes volumes da atmosfera. "

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