I raggi cosmici costituiscono protoni ad alta energia e nuclei atomici che hanno origine dalle stelle (sia all'interno della nostra galassia che da altre galassie) e sono accelerati da supernove e altri oggetti astrofisici ad alta energia.

La nostra attuale comprensione dello spettro energetico dei raggi cosmici galattici suggerisce che segua una dipendenza dalla legge di potenza, in quanto l'indice spettrale dei protoni rilevati all'interno di un certo intervallo di energia diminuisce per legge di potenza all'aumentare dell'energia.

Ma recenti osservazioni effettuate utilizzando spettrometri magnetici per bassi livelli di energia e calorimetri per alti livelli di energia hanno suggerito una deviazione da questa variazione della legge di potenza, con l'indice spettrale dei protoni che diventa più grande intorno a un'energia di poche centinaia di GeV a energie fino a 10 TeV . A seguito di questo "indurimento spettrale", caratterizzato da un valore assoluto più piccolo dell'indice spettrale, è stato rilevato un "ammorbidimento spettrale" superiore a 10 TeV utilizzando il CALorimetric Electron Telescope (CALET), un telescopio spaziale installato presso la Stazione Spaziale Internazionale.

Tuttavia, per la conferma di queste strutture spettrali è necessario eseguire misurazioni migliori con statistiche elevate e bassa incertezza su un ampio spettro di energia.

Questo è esattamente ciò che un team di ricercatori internazionali guidato dal Professore Associato Kazuyoshi Kobayashi dell'Università di Waseda in Giappone ha deciso di fare. "Con i dati raccolti da CALET in circa 6,2 anni, abbiamo presentato una struttura spettrale dettagliata dei protoni dei raggi cosmici. La novità dei nostri dati risiede nella misurazione ad alta statistica su un intervallo di energia più ampio da 50 GeV a 60 TeV, " dice Kobayashi.

I risultati del loro studio, che includeva i contributi del Professor Emeritus Shoji Torii dell'Università di Waseda (PI, o Principal Investigator, del progetto CALET) e del Professor Pier Simone Marrocchesi dell'Università di Siena in Italia, sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Lettere .

Le nuove osservazioni hanno confermato la presenza di indurimento e rammollimento spettrale al di sotto e al di sopra di 10 TeV, suggerendo che lo spettro dell'energia del protone non è coerente con una singola variazione della legge di potenza per l'intero intervallo. Inoltre, l'ammorbidimento spettrale a partire da circa 10 TeV è coerente con una precedente misurazione riportata dal telescopio spaziale Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). È interessante notare che la transizione per ammorbidimento spettrale è risultata più nitida di quella per indurimento spettrale.

Le variazioni e l'incertezza nei nuovi dati CALET sono state controllate utilizzando simulazioni Monte Carlo. Le statistiche sono state migliorate di un fattore di circa 2,2 e la caratteristica di indurimento spettrale è stata confermata con un significato maggiore di oltre 20 sigma.

Parlando del significato di questa ricerca, Kobayashi osserva che "questo risultato contribuirà in modo significativo alla nostra comprensione dell'accelerazione dei raggi cosmici da parte delle supernove e del meccanismo di propagazione dei raggi cosmici. Il passo successivo sarebbe estendere la nostra misurazione degli spettri protonici a livelli ancora più alti energie con ridotte incertezze sistematiche. Ciò dovrebbe essere accompagnato da un cambiamento nella comprensione teorica per accogliere le nuove osservazioni."

Non si tratta solo di raggi cosmici, però. Piuttosto, lo studio prosegue mostrando quanto ancora non capiamo del nostro universo e che vale la pena rifletterci sopra. + Esplora ulteriormente

Le misurazioni più precise degli spettri di protoni ed elio dei raggi cosmici sopra TeV