Forskare vid CERN har genererat plasma-'fireballs' för att simulera strålar från avlägsna blazars, vilket belyser mysteriet med de försvunna gammastrålarna. Experimentet tyder på att antika intergalaktiska magnetfält, snarare än plasma-instabiliteter, kan förklara fenomenet. Publicerat i PNAS den 3 november, framhäver resultaten potentiella rester från det tidiga universum.
Ett internationellt team ledd av University of Oxford använde CERN:s Super Proton Synchrotron-accelerator i Genève för att producera plasma-'fireballs', som efterliknar beteendet hos partikelstrålar från blazars. Blazars är aktiva galaxer drivna av supermassiva svarta hål som avger smala strålar av partiklar och strålning i nästan ljushastighet, inklusive gammastrålar upp till flera teraelektronvolt (TeV). Dessa högenergigammastrålar färdas genom intergalaktiskt rum och interagerar med bakgrundsljus från stjärnor, vilket skapar kaskader av elektron-positronpar. Dessa par förväntas kollidera med den kosmiska mikrovågsbakgrunden och producera lägre energigammastrålar runt 10^9 eV (GeV), men NASAs Fermi-satellit har inte upptäckt denna signal.
Två huvudteorier har föreslagits för skillnaden: svaga intergalaktiska magnetfält som avleder paren från jorden, eller instabiliteter i det tunna intergalaktiska plasmat som dränerar energi från strålen. För att testa detta använde forskarna CERN:s High-Radiation to Materials (HiRadMat)-anläggning och skickade strålar av elektron-positronpar genom ett en meter långt plasma för att replikera kosmiska förhållanden.
Resultaten, publicerade den 3 november i PNAS, visade att strålen förblev tätt fokuserad med minimal störning eller magnetisk aktivitet, vilket indikerar att plasma-instabiliteter är otillräckliga för att förklara de försvunna gammastrålarna. Detta stödjer existensen av primordiala magnetfält från universums tidigaste ögonblick, möjligen involverande fysik bortom standardmodellen.
Huvudforskaren professor Gianluca Gregori från University of Oxford uppgav: "Vår studie visar hur laboratorieförändringar kan hjälpa till att överbrygga gapet mellan teori och observation, och förbättra vår förståelse av astrofysiska objekt från satellit- och markbaserade teleskop." Medforskaren professor Bob Bingham från STFC Central Laser Facility och University of Strathclyde tillade: "Dessa experiment visar hur laboratoriefysik kan testa teorier om det högenergiuniversum." Professor Subir Sarkar från Oxford noterade: "Det var väldigt roligt att vara en del av ett innovativt experiment som detta som lägger till en ny dimension till den banbrytande forskning som bedrivs vid CERN."
Samarbetet inkluderade institutioner som STFC:s Central Laser Facility, University of Rochester, Lawrence Livermore National Laboratory och Max Planck Institute for Nuclear Physics. Framtida observatorier som Cherenkov Telescope Array kan ge ytterligare insikter i dessa magnetfält.