Grupo de investigación revela propiedades del azufre de rayos cósmicos y composición de otros rayos cósmicos primarios

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 en astrofísica destinados a comprender mejor su origen, su aceleración y su propagación en el espacio, utilizando datos de satélite 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, reunió recientemente nueva información sobre las propiedades y la composición de tipos específicos de rayos cósmicos. En un nuevo artículo publicado en Cartas de exploración física (LRP), revelaron específicamente la composición del carbono primario, el neón y el magnesio de los rayos cósmicos, y la composición y las propiedades del azufre de los rayos cósmicos.

“Los experimentos pioneros que estudian los rayos cósmicos suelen tener un error del 30 % al 50 % y, en su mayoría, tienen una energía cinética inferior a 50 Giga electronvoltios por nucleón”, dijo a Phys.org Samuel Ting, portavoz de la colaboración AMS. “Estas medidas de gran error proporcionan información importante que concuerda con muchos modelos teóricos. El experimento del espectrómetro magnético alfa en la Estación Espacial Internacional proporciona medidas de precisión porcentual de partículas elementales (electrones, positrones, protones y antiprotones) y todos los elementos de la tabla periódica en una energía cinética de más de 1.000 Giga electrón-voltios por nucleón”.

Algunas de las mediciones recientes recopiladas por el detector AMS han sido difíciles de explicar utilizando los modelos físicos teóricos existentes. Por ejemplo, al medir la rigidez (es decir, el momento/carga) de todas las partículas cargadas en los rayos, el detector AMS recopiló datos que arrojan nueva luz sobre las propiedades de dos tipos diferentes de rayos cósmicos cargados, que los investigadores llamaron rayos primarios y secundarios. . .

“Los rayos cósmicos primarios (por ejemplo, He, C, O, Ne, Mg, Si, S, Fe,…) se sintetizan en estrellas y se aceleran a fuentes astrofísicas como supernovas y rayos cósmicos secundarios (por ejemplo, Li, Be, B, F , …) se producen en interacciones primarias de rayos cósmicos con medios interestelares”, explicó Ting. “Nuestro trabajo reciente presentado en LRP se inspiró en nuestro descubrimiento de las propiedades únicas de los rayos cósmicos en dos publicaciones anteriores”.

Dentro un articulo anteriorla colaboración de AMS mostró que los flujos de rayos cósmicos primarios que contenían Ne, Mg y Si tenían una dependencia de rigidez idéntica por encima de 86,5 Giga voltios, lo que difería significativamente de la dependencia de rigidez de los rayos cósmicos primarios que contenían partículas de He, C, O y Fe. Esto sugiere que los rayos cósmicos primarios se pueden dividir en al menos dos subclases, que el equipo denominó Ne-Mg-Si y He-CO-Fe.

“Hasta ahora, se sabe poco sobre las propiedades de los rayos cósmicos de azufre”, dijo Ting. “Los estudios de precisión centrados en las propiedades del azufre cósmico, como nuestro nuevo trabajo, podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre los rayos cósmicos primarios, ayudándonos a desentrañar cuántas clases de rayos cósmicos primarios existen”.

Dentro otro trabajo anterior, Ting y sus colaboradores encontraron evidencia que sugiere que los rayos cósmicos N, Na y Al son combinaciones de rayos cósmicos primarios y secundarios. Luego midieron con precisión los flujos de estos rayos cósmicos en un amplio rango de rigidez (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 fuente Na/Si y Al/Si se midieron directamente en 0,036 ± 0,003 y 0,103 ± 0,004, respectivamente”, dijo Ting. “Estas medidas son independientes de los patrones de rayos cósmicos. En nuestra publicación actual, hemos ampliado este método para medir las composiciones primarias y secundarias de C, Ne, Mg y S, que tradicionalmente se supone que son rayos cósmicos primarios. Inesperadamente, encontró que todos estos elementos tienen contribuciones secundarias significativas de la colisión de rayos cósmicos más pesados ​​con medios interestelares”.

El AMS se basa en un espectrómetro magnético muy preciso que generalmente se usa para realizar experimentos en la Tierra, por ejemplo, para ayudar en la búsqueda de partículas fundamentales usando aceleradores. Está compuesto por seis elementos sensores 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 ubicado en el espacio, con investigadores en la Tierra monitoreando de cerca y continuamente el funcionamiento de cada uno de sus seis elementos para garantizar que funcione de manera confiable. Antes de ser enviado al espacio, más precisamente a la Estación Espacial Internacional, en 2011, el espectrómetro fue cuidadosamente calibrado utilizando diferentes 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 primeros 10 años de datos de AMS, o alrededor de 200 mil millones de rayos cósmicos, observamos que por encima de 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 es diferente de la dependencia de la rigidez de los flujos de He-CO-Fe. Esto muestra que S, inesperadamente, pertenece a la clase Ne-Mg-Si de los rayos cósmicos primarios.

Analizar datos de 200 mil millones de rayos cósmicos que pasan por seis detectores diferentes fue una tarea larga y ardua. En última instancia, cuatro equipos de investigación independientes ubicados en Italia, Suiza, China y los Estados Unidos verificaron y cotejaron la precisión de los datos.

“También descubrimos que los rayos cósmicos primarios tradicionales S, Ne, Mg y C tienen componentes secundarios significativos. El azufre, así como los núcleos cósmicos C, Ne y Mg, pueden presentarse como una suma de componentes primarios (antes propagación en la Vía Láctea) y el componente secundario (durante y después de la propagación)”, dijo Ting, “La relación de abundancia de la fuente de rayos cósmicos para S/Si es 0,167 ± 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 mediciones directas son independientes de los modelos de rayos cósmicos”.

En particular, la colaboración de AMS fue la primera en medir con precisión el flujo de S en el cosmos desde unos pocos Gigavoltios hasta Teravoltios. Sus descubrimientos contribuyen en gran medida a la comprensión de los rayos cósmicos, su composición y sus características.

Los análisis realizados por la colaboración AMS finalmente sugieren que las contribuciones primarias y secundarias de los flujos primarios de S, C, Ne y Mg de los rayos cósmicos son marcadamente diferentes de los flujos de N, Na y Al. ha sido predicho por los modelos de rayos cósmicos existentes, podría ayudar colectivamente a comprender mejor la nucleosíntesis en las estrellas, así como el origen y la propagación de los rayos cósmicos.

“AMS ahora continuará el estudio de precisión de los elementos cósmicos”, agregó Ting. “Actualmente estamos actualizando nuestro detector, aumentando su aceptación en un 300%. Para 2030, exploraremos las propiedades de los elementos de rayos cósmicos pesados ​​restantes, marcados en blanco. Así, para 2030, brindaremos información precisa y completa sobre el origen de los rayos cósmicos. y difundir Desentrañará los misterios de los rayos cósmicos, como dónde y cómo se crean, o cómo nos llegan. En nuestro próximo trabajo, planeamos estudiar el origen de la materia oscura mediante mediciones precisas de electrones, positrones, antiprotones y antideuterones. Para 2030, nuestro estudio de los espectros de positrones, electrones, antiprotones y antideuterones, así como el estudio de la anisotropía de los positrones, proporcionará una explicación de los inesperados resultados actuales del AMS.

Mientras analizaban los datos de AMS, Ting y sus colaboradores también observaron varias partículas que podrían ser candidatas viables para la antimateria pesada, incluido el antihelio. Por lo tanto, planean continuar también con la búsqueda de un mayor número de estas partículas, en particular el anticarbono y el antioxígeno. Al mismo tiempo, están analizando las variaciones diarias en el 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.