I recenti progressi nell'osservazione delle radiazioni ad alta energia, compresi i raggi X e i raggi gamma, hanno svelato molti aspetti ad alta energia dell'universo. Per ottenere una comprensione completa di queste radiazioni, però, i ricercatori hanno bisogno di saperne di più sulle particelle ad alta energia (cioè i raggi cosmici) che le producono. Infatti, le radiazioni non termiche caratterizzate dallo spettro a legge di potenza sono tutte supportate dall'accelerazione e propagazione di questi raggi.

L'osservazione diretta di questi raggi cosmici si può ottenere solo ponendo soprattutto strumenti di misura, o la maggior parte, dell'atmosfera terrestre. Inoltre, poiché queste particelle a più alta energia sono piuttosto rare, studiarli richiede tempi di osservazione notevolmente lunghi. La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è quindi un luogo ideale per raccogliere queste osservazioni.

La collaborazione CALET, un grande team di ricercatori provenienti da diverse rinomate università in tutto il mondo, ha sviluppato uno strumento in grado di identificare particelle ad alta energia (ad esempio elettroni, protoni e altri nuclei atomici) e misurare accuratamente la loro energia. Hanno quindi posizionato questo strumento sulla ISS e lo hanno utilizzato per raccogliere una misurazione diretta dello spettro protonico dei raggi cosmici. In un recente articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno presentato l'analisi ei risultati delle loro misurazioni.

"Per osservare i raggi cosmici, soprattutto raggi cosmici galattici, è necessario rilevarli ad alta quota dove l'atmosfera rimanente è sufficientemente rarefatta, " la collaborazione CALET ha detto a Phys.org, Via Posta Elettronica. "Per questo scopo, molti strumenti sono progettati e pilotati per effettuare osservazioni dirette per anni. Di conseguenza, ora abbiamo un'immagine standard dei raggi cosmici galattici e sappiamo che i raggi cosmici sono accelerati dalle onde d'urto nei resti di supernova, propagarsi diffusivamente attraverso l'irregolarità del campo magnetico galattico, e finalmente fuggire dalla nostra Galassia."

Dall'inizio del 21 ^ns secolo, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi nell'osservazione dei raggi cosmici utilizzando tecniche di rilevamento delle particelle sviluppate in esperimenti di collisione. Negli ultimi decenni, esperimenti spaziali che sfruttano la mancanza di atmosfera della Terra hanno anche suggerito il verificarsi di un inaspettato indurimento spettrale nei raggi cosmici come i protoni, contraddicendo le precedenti previsioni dello spettro a legge di potenza singola. I ricercatori hanno proposto diversi modelli teorici per spiegare questo indurimento spettrale osservato, che sono ancora oggetto di accesi dibattiti.

Il telescopio calorimetrico elettronico (CALET) creato dalla collaborazione CALET è uno strumento spaziale ottimizzato per misurare lo spettro di tutti gli elettroni e dotato di un calorimetro completamente attivo. Il loro strumento può misurare i principali componenti dei raggi cosmici, compresi i protoni, nuclei leggeri e pesanti nella gamma di energia fino a 1 PeV.

"CALET è stato ottimizzato per la misurazione degli elettroni dei raggi cosmici, ma è anche meravigliosamente in grado di identificare altre particelle cariche:protoni (che sono nuclei di idrogeno), nuclei di elio, e nuclei di elementi più pesanti, " ha spiegato la collaborazione CALET.

CALET è composto da tre sistemi di rilevamento, ciascuno composto da vari tipi di scintillatori che emettono un impulso di luce quando penetrato da una particella carica. Il rivelatore di carica (CHD) nella sua parte superiore può identificare la carica della particella incidente (cioè 1 per elettroni e protoni, 2 per nuclei di elio, eccetera.), mentre un calorimetro per immagini (IMC) integra la misurazione della carica del CHD, identifica la traiettoria della particella e inizia a misurarne l'energia. Il componente finale di CALET è un calorimetro scintillante ad assorbimento totale (TASC); una pila molto spessa [26,4 cm] di scintillatori ad alta densità (piombo stato di tungsteno) che è abbastanza spessa da contenere l'intera pioggia di particelle iniziata dall'interazione della particella con sottili strati di tungsteno intercalati tra scintillatori nell'IMC. Il componente TASC è più spesso di qualsiasi calorimetro spaziale precedentemente sviluppato, che conferisce a CALET una precisione e una gamma di misurazione dell'energia senza precedenti.

CALET è stato lanciato ufficialmente il 19 agosto, 2015 e installato sul Japanese Experiment Module-Exposed Facility sulla ISS, con una durata prevista della missione di cinque o più anni. Le osservazioni scientifiche dei ricercatori sono iniziate pochi mesi dopo, il 13 ottobre, e da allora sono state eseguite operazioni continue.

"La nostra analisi dei dati consiste nella calibrazione del rivelatore, ricostruzione di eventi, selezione del protone-candidato in base alla carica e ad altre quantità, stima della contaminazione residua e sua sottrazione, energia che si dispiega considerando la risposta del rivelatore e la rivelazione-

correzione dell'efficienza, " ha spiegato la collaborazione CALET. "La valutazione dettagliata delle incertezze sistematiche, compresa la messa a punto e la convalida della simulazione Monte Carlo utilizzando i risultati del test del fascio al CERN-SPS, è un altro punto chiave di questa analisi".

I recenti risultati pubblicati dai ricercatori si basano sui dati di volo fino al 31 agosto, 2018. Il set di dati completamente calibrato e ricostruito che hanno raccolto, soprannominato 'livello 2, " ammontava a più di 30 TB, tuttavia lo spettro protonico risultante era solo di pochi kB. Lo strumento spaziale CALET ha permesso la misura dello spettro protonico dei raggi cosmici da 50 GeV a 10 TeV di copertura, per la prima volta, l'intero intervallo di energia che è stato precedentemente studiato in sotto-intervalli separati utilizzando diversi spettrometri magnetici (ad es. BESS-TeV, PAMELA, e AMS-02) e strumenti calorimetrici (es. ATIC, CREMA, e NUCLONE), con un unico strumento.

"CALET ha fornito una misurazione precisa dello spettro di energia dei protoni dei raggi cosmici su una gamma di energie più ampia rispetto a qualsiasi risultato precedentemente pubblicato da altri strumenti, " hanno detto i ricercatori. "I risultati di CALET concordano con le misurazioni precedenti a energie più basse, ed estendere tali misurazioni a energie più elevate."

Usando CALET, i ricercatori sono stati finalmente in grado di stabilire che l'intensità dei protoni a energie più elevate è significativamente maggiore di quanto ci si aspetterebbe da una semplice estrapolazione dello spettro di intensità da energie più basse, che era già stato suggerito da misurazioni precedenti. Questo "indurimento" dello spettro dei protoni ad alta energia richiede un'alterazione dei precedenti metodi di produzione e propagazione dei raggi cosmici attraverso la nostra galassia.

"CALET fornisce una misurazione diretta accurata dello spettro protonico dei raggi cosmici in un ampio intervallo di energia da 50 GeV a 10 TeV che mostra un progressivo indurimento nella regione del TeV, limitando così gravemente gli attuali modelli di accelerazione e propagazione dei raggi cosmici galattici che discutono l'indurimento generalmente osservato degli spettri dei nuclei, " hanno spiegato i ricercatori. "La misurazione CALET aiuta a tracciare un quadro sperimentale coerente, superando l'annoso problema di collegare le misurazioni precise eseguite da spettrometri magnetici al di sotto di circa 1 TeV, con misure calorimetriche eseguite da esperimenti su pallone ad energie sopra-TeV. Riteniamo che questo possa essere considerato uno dei momenti salienti nella storia delle misurazioni dello spettro protonico".

Oltre a confermare l'esistenza di indurimento spettrale, le misurazioni raccolte dalla collaborazione CALET potrebbero informare i calcoli utilizzati nelle ricerche indirette di materia oscura, neutrini atmosferici e cosmogenici, così come la fisica dei raggi gamma. I ricercatori stanno ora pianificando di testare un'ulteriore ipotesi relativa a un possibile taglio dipendente dalla carica negli spettri dei nuclei, il che spiegherebbe il "ginocchio" osservato nello spettro di tutte le particelle. Questa ipotesi può essere verificata direttamente solo con misurazioni raccolte in esperimenti spaziali di durata significativa, con esposizione significativa e con la capacità di identificare i singoli elementi sulla base di misurazioni di carica.

"Il limite di accelerazione dei resti di supernova calcolati con parametri standard è in genere molto più piccolo dell'energia del 'ginocchio, ' come osservato indirettamente dai rilevatori di terra, " hanno spiegato i ricercatori. "Pertanto, l'osservazione diretta precisa degli spettri del protone e dell'elio ad alta energia è molto importante. Statistiche migliorate e una migliore comprensione dello strumento basata sull'analisi di dati di volo aggiuntivi durante i cinque anni in corso (o più) di osservazioni potrebbero rivelare un taglio di energia dipendente dalla carica probabilmente dovuto al limite di accelerazione nei resti di supernova negli spettri di protoni ed elio, o impostare vincoli importanti sui modelli di accelerazione."

© 2019 Scienza X Rete