AMS ha medido la carga Z de todos los núcleos de rayos cósmicos hasta Ni. Fuente: Cooperación AMS.
Los rayos cósmicos cargados, grupos de partículas de alta energía que se mueven por el espacio, fueron descritos por primera vez en 1912 por el físico Victor Hess. Desde su descubrimiento, han sido objeto de numerosos estudios astrofísicos destinados a comprender mejor su origen, aceleración y propagación a través del espacio, utilizando datos de satélites u otros métodos experimentales.
La Colaboración Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un gran grupo de investigación que analiza los datos recopilados por un gran espectrómetro magnético en el espacio, recientemente reunió nuevos conocimientos sobre las propiedades y la composición de tipos específicos de rayos cósmicos. En un nuevo artículo publicado en Cartas de inspección física (prl), en particular, reveló la composición del carbono, el neón y el magnesio de los rayos cósmicos primarios, junto con la composición y las propiedades del azufre de los rayos cósmicos.
“Los experimentos pioneros de rayos cósmicos suelen tener un error del 30% al 50% y en su mayoría con energías cinéticas de menos de 50 Giga electronvoltios por nucleón”, dijo a Phys.org Samuel Ting, portavoz de AMS Collaboration. “Estos grandes errores de medición proporcionan información importante que concuerda con muchos modelos teóricos. El experimento Alpha Magnetic Spectrometer en la Estación Espacial Internacional proporciona mediciones de precisión porcentual de partículas elementales (electrones, positrones, protones y antiprotones) y todos los elementos de la tabla periódica hasta una energía cinética de más de 1000 Gigaelectronvoltios por nucleón”.
Algunas de las medidas recientes tomadas por el detector AMS han sido difíciles de explicar usando modelos existentes de física teórica. Por ejemplo, al medir la rigidez (es decir, el momento/carga) de todas las partículas cargadas en los rayos, el detector AMS ha recopilado datos que arrojan nueva luz sobre las propiedades de dos tipos diferentes de rayos cósmicos cargados, que los científicos han denominado primario y rayos secundarios.
“Los rayos cósmicos primarios (por ejemplo, He, C, O, Ne, Mg, Si, S, Fe, …) se sintetizan en las estrellas y se aceleran en fuentes astrofísicas como las supernovas y los rayos cósmicos secundarios (por ejemplo, Li, Be, B, F , …) los núcleos se forman por la interacción de los rayos cósmicos primordiales con los medios interestelares”, explicó Ting. “Nuestro último trabajo apareció en prl se inspiró en nuestro descubrimiento de las propiedades únicas de los rayos cósmicos en dos publicaciones anteriores”.
EN Artículo anterior, la Colaboración AMS descubrió que los flujos de rayos cósmicos primordiales que contenían Ne, Mg y Si tenían una relación de rigidez idéntica por encima de 86,5 gigavoltios, que era significativamente diferente de la relación de rigidez de los rayos cósmicos primordiales que contenían partículas de He, C, O y Fe. Esto sugiere que los rayos cósmicos primordiales se pueden dividir en al menos dos subclases, que el equipo denominó Ne-Mg-Si y He-CO-Fe.
Figura que ilustra los resultados de AMS de la medición directa de los índices de abundancia de fuente de siete elementos de rayos cósmicos. Fuente: Cooperación AMS.
“Hasta ahora, se sabe poco sobre las propiedades de los rayos cósmicos de azufre”, dijo Ting. “Estudios exhaustivos centrados en las propiedades del azufre cósmico, como nuestro nuevo trabajo, podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre los rayos cósmicos primordiales, ayudándonos a descubrir cuántas clases de rayos cósmicos primordiales existen”.
EN otro trabajo anterior, Ting y sus colegas encontraron evidencia que sugiere que los rayos cósmicos N, Na y Al son una combinación de rayos cósmicos primarios y secundarios. Luego midieron cuidadosamente los flujos de estos rayos cósmicos en una amplia gama de rigideces (es decir, desde unos pocos gigavoltios hasta teravoltios) y analizaron sus propiedades espectrales para determinar sus componentes primarios y secundarios únicos.
“Por ejemplo, las proporciones de abundancia de Na/Si y Al/Si en la fuente se midieron directamente como 0,036 ± 0,003 y 0,103 ± 0,004, respectivamente”, dijo Ting. “Estas medidas son independientes de los modelos de rayos cósmicos. En nuestra publicación actual, hemos ampliado este método para medir las composiciones primaria y secundaria de C, Ne, Mg y S, que tradicionalmente se consideran rayos cósmicos primarios. Sorprendentemente, descubrimos que todos estos elementos hacen una contribución secundaria significativa a la colisión de los rayos cósmicos más pesados con los medios interestelares”.
AMS se basa en un espectrómetro magnético de alta precisión que generalmente se usa para realizar experimentos en la Tierra, como ayudar en la búsqueda de partículas subatómicas con aceleradores. Consta de seis elementos detectores que recopilan datos de forma independiente sobre la carga, la masa, el impulso y la energía de las partículas elementales y los núcleos.
AMS es actualmente el único espectrómetro magnético colocado en el espacio, y los científicos en la Tierra monitorean de cerca y constantemente el rendimiento de cada uno de sus seis componentes para garantizar su confiabilidad. Antes de ser enviado al espacio, concretamente a la Estación Espacial Internacional, en 2011 el espectrómetro fue cuidadosamente calibrado utilizando varios aceleradores de partículas del CERN.
“Para garantizar la precisión y confiabilidad de los resultados, los datos sin procesar fueron analizados de forma independiente por dos a cuatro grupos de investigación internacionales”, dijo Ting. “Al analizar los datos de AMS de los primeros 10 años, es decir, alrededor de 200 mil millones de rayos cósmicos, observamos que por encima de los 90 gigavoltios, la dependencia de la rigidez del flujo de azufre en los rayos cósmicos es idéntica a la dependencia de la rigidez de los flujos de Ne-Mg-Si. , que difiere de la dependencia de la rigidez del He-CO-Fe. Esto muestra que S, inesperadamente, pertenece a la clase Ne-Mg-Si de los rayos cósmicos primordiales.
El espectrómetro magnético alfa (AMS) en la Estación Espacial Internacional. Fuente: NASA.
Analizar datos sobre 200 mil millones de rayos cósmicos que pasan a través de seis detectores diferentes fue una tarea tediosa y que requería mucho tiempo. En última instancia, la precisión de los datos fue validada por cuatro equipos de investigación independientes ubicados en Italia, Suiza, China y los Estados Unidos.
“También encontramos que los rayos cósmicos primarios tradicionales S, Ne, Mg y C tienen componentes secundarios significativos. El azufre junto con los núcleos cósmicos C, Ne y Mg se pueden representar como la suma de un componente mayoritario (antes de la propagación hacia la Vía Láctea) y un componente menor (durante y después de la propagación) 0,006, para Ne/Si es 0,833 ± 0,025, para Mg/Si es 0,994 ± 0,029 y para C/O es 0,836 ± 0,025. Estas medidas directas son independientes de los modelos de rayos cósmicos”.
En particular, la Colaboración AMS fue la primera en medir con precisión el flujo S en el espacio desde unos pocos gigavoltios hasta teravoltios. Sus descubrimientos contribuyen en gran medida a nuestra comprensión de los rayos cósmicos, su composición y propiedades.
Los análisis realizados en colaboración con AMS finalmente sugieren que las contribuciones de los flujos de rayos cósmicos primarios y secundarios S, C, Ne y Mg son significativamente diferentes de las de N, Na y Al. Sus hallazgos, ninguno de los cuales fue predicho por los modelos de rayos cósmicos existentes, en conjunto podrían ayudar a avanzar en nuestra comprensión de la nucleosíntesis en las estrellas, así como el origen y la propagación de los rayos cósmicos.
“AMS ahora continuará estudiando con precisión los elementos cósmicos”, agregó Ting. “Actualmente estamos actualizando nuestro detector, aumentando su aceptación en un 300%. Para 2030, estudiaremos las propiedades de los elementos de rayos cósmicos pesados restantes, marcados en blanco. Así, para 2030, proporcionaremos información precisa y completa sobre el origen y la propagación de los rayos cósmicos. Esto revelará los misterios de los rayos cósmicos, como dónde y cómo se forman, o cómo nos llegan. En nuestro próximo trabajo, planeamos investigar el origen de la materia oscura a través de mediciones precisas de electrones, positrones, antiprotones y antideuterones. Para 2030, nuestro estudio de los espectros de positrones, electrones, antiprotones y antideuterones, junto con el estudio de la anisotropía de positrones, proporcionará una explicación de los inesperados resultados actuales de AMS”.
Al analizar los datos de AMS, Ting y sus colegas también observaron varias partículas que podrían ser candidatas potenciales para antimateria pesada, incluido el antihelio. Por lo tanto, también planean seguir buscando más de estas partículas, especialmente anti-carbono y anti-oxígeno. Al mismo tiempo, están analizando las variaciones diurnas del flujo de todos los rayos cósmicos en la heliosfera durante ciclos solares de 11 y 22 años, lo que podría conducir a otros descubrimientos interesantes.
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