Il 14 agosto 2017, un rivoluzionario rivelatore di raggi cosmici progettato dall'Università del Maryland viaggerà verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) a bordo della missione SpaceX-12 Commercial Resupply Service. Lo strumento, denominata ISS Cosmic Ray Energetics and Mass (ISS-CREAM), ha all'incirca le dimensioni di un frigorifero e rimarrà installato sul Japanese Experiment Module della ISS per almeno tre anni. Le enormi quantità di dati che ISS-CREAM raccoglierà potrebbero rivelare nuovi dettagli sull'origine e la diversità dei raggi cosmici.

I raggi cosmici non sono affatto raggi, ma particelle altamente energetiche che sfrecciano nello spazio quasi alla velocità della luce. Le particelle variano in dimensione, dai protoni subatomici ai nuclei atomici di elementi come carbonio e boro. Gli scienziati sospettano che le particelle siano frammenti di schegge subatomiche prodotte da supernovae, ma potrebbero anche essere le firme di altri fenomeni catastrofici.

Indipendentemente dalla loro origine, "i raggi cosmici sono campioni diretti di materia al di fuori del nostro sistema solare, forse dai più lontani angoli dell'universo, " disse Eun-Suk Seo, un professore di fisica all'UMD e investigatore capo per ISS-CREAM. Seo guida il Cosmic Ray Physics Group di UMD e ha un appuntamento congiunto presso l'UMD Institute for Physical Science and Technology.

ISS-CREAM si basa su oltre un decennio di lavoro del gruppo di ricerca di Seo, che include sette missioni Long-Duration Balloon (LDB) in Antartide dedicate allo studio della natura dei raggi cosmici. Ognuna di queste missioni LDB è stata facilitata dalla NASA con il supporto aggiuntivo della National Science Foundation.

Il primo, noto come Cosmic Ray Energetics e Mass I (CREAM I), lanciato nel dicembre 2004. CREAM I portava strumenti per misurare l'energia, carica, massa e direzione delle particelle dei raggi cosmici in arrivo. Le seguenti cinque missioni, chiamato anche CREMA e numerato II-VI, portava la stessa suite di strumenti di base. La settima e più recente missione ha assunto un nome diverso:Boro e raggi cosmici di carbonio nella stratosfera superiore (BACCUS). Il volo ha stabilito un record per il primo lancio stagionale nella storia del programma LDB della NASA il 28 novembre, 2016, e concluso 30 giorni dopo.

ISS-CREAM trasporterà una suite di strumenti molto simile ai suoi cugini a palloncino. Ma a differenza degli esperimenti con i palloncini, I rilevatori di ISS-CREAM avranno diretto, accesso senza ostacoli ai raggi cosmici in arrivo, senza interferenze atmosferiche. Tornato sulla Terra, Il team di Seo monitorerà le operazioni 24 ore su 24, fare i turni per garantire che gli strumenti siano calibrati correttamente e raccogliere la massima quantità di dati.

Quando una particella di raggi cosmici raggiunge l'atmosfera terrestre, presto si scontra con un'altra particella, molto probabilmente un atomo di azoto o ossigeno. Questo innesca una cascata di particelle secondarie che trasportano meno energia della particella originale. L'atmosfera funge da filtro protettivo, rallentando pericolosi raggi cosmici prima che abbiano la possibilità di danneggiare la vita e le proprietà qui sulla superficie terrestre.

Ciò significa anche che i rivelatori di raggi cosmici legati alla Terra possono vedere solo particelle secondarie. Orbitando sopra l'atmosfera, ISS-CREAM affronta questa sfida e offre molti altri vantaggi rispetto agli esperimenti con palloncini.

"Per vedere le particelle primarie dobbiamo far volare uno strumento nello spazio. Questo rimuove lo sfondo atmosferico, "Seo ha spiegato. "Anche gli esperimenti precedenti erano limitati a energie inferiori a causa delle dimensioni del carico utile e della durata del volo. ISS-CREAM estenderà le nostre misurazioni alle più alte energie possibili e ci consentirà di aumentare la nostra esposizione di un ordine di grandezza".

ISS-CREAM deve anche resistere a condizioni difficili ben oltre quelle sperimentate durante una missione in mongolfiera.

"ISS-CREAM deve sopravvivere a un violento lancio di razzi. Il lancio di un pallone è molto delicato al confronto, " Ha detto Seo. "Anche ISS-CREAM deve continuare a lavorare senza riparazioni per anni, mentre uno strumento a palloncino deve durare solo un mese o due. E qualsiasi esperimento spaziale deve essere protetto dalle radiazioni, il che rende tutto più costoso e i processi di progettazione più esigenti."

Le particelle dei raggi cosmici potrebbero aiutare a risolvere uno degli enigmi scientifici più sfuggenti di oggi:determinare la natura della materia oscura. Secondo Seo, la teoria suggerisce che le particelle di materia oscura potrebbero scontrarsi e annichilirsi a vicenda, risultando in particelle energetiche di materia convenzionale che riconosciamo come raggi cosmici. Se questa teoria è corretta, studiare i raggi cosmici potrebbe portare a promettenti indizi nella ricerca della materia oscura.

"La natura misteriosa dei raggi cosmici ci ricorda quanto poco sappiamo del nostro universo. La scoperta dei raggi cosmici ha dato vita al campo della fisica delle particelle all'inizio del XX secolo. Ma nessun acceleratore di particelle creato dall'uomo può raggiungere il livelli di energia che vediamo nei raggi cosmici, " Seo ha aggiunto. "Il nostro team attende con ansia questo lancio da anni. Questo è un momento molto eccitante per noi e per altri nel campo dell'astrofisica delle particelle ad alta energia".