Fem års studier af kosmiske stråler med Alpha Magnetic Spectrometer-eksperimentet

Den 19. maj, 2011, astronauter brugte en fjernstyret robotarm til at fastgøre en næsten 17, 000-pund nyttelast til siden af ​​den internationale rumstation. Den nyttelast var Alpha Magnetic Spectrometer, eller AMS-02, et internationalt eksperiment sponsoreret af det amerikanske energiministerium og NASA.

AMS blev designet til at detektere kosmiske stråler, højenergiske partikler og kerner, der bombarderer Jorden fra rummet. Siden installationen, AMS har indsamlet data fra mere end 90 milliarder kosmiske strålehændelser, eksperimentleder Sam Ting rapporterede i dag i et kollokvium i eksperimentets hovedkvarter, CERN europæisk forskningscenter.

Ting, en nobelpristager og Thomas Dudley Cabot professor i fysik ved Massachusetts Institute of Technology, delte en blanding af nye og seneste resultater under sit foredrag. Sammen forklarede de det vedvarende budskab fra AMS-eksperimentet:Vi har meget tilbage at lære af kosmiske stråler.

For en, kosmiske stråler kunne fortælle os om ubalancen mellem stof og antimateriale i universet.

Fordi stof- og antistofpartikler skabes i par, videnskabsmænd mener, at Big Bang burde have produceret halvdelen af ​​hver. Men de ligeligt matchede partnere ville have udslettet hinanden, og vi ville ikke eksistere.

Den generelt accepterede teori er, at denne ubalance opstod takket være processer i det meget unge univers, der favoriserer stof frem for antistof. Men en alternativ idé er, at en stor mængde antistof stadig er derude; det har bare ikke haft en chance for at kollidere med vores stoffyldte univers.

Et fingerpeg om, at dette er tilfældet, ville være at finde en antistofkerne i naturen.

Med den ubetydelige mængde antistof, der findes i vores univers, "Det er næsten umuligt at lave noget større end en proton, " siger AMS stedfortrædende hovedefterforsker Mike Capell fra MIT. "At få antistoffet sammen til at kollidere ind i en antihelium- eller anticarbonkerne er ikke særlig sandsynligt."

AMS -forskere hævder ikke at have opdaget antihelium, men de meddelte, at de ikke har udelukket "nogle få" kandidatbegivenheder.

"I betragtning af succesen med den standard kosmologiske model og fraværet af gammastråler fra hypotetiske stof-antistof-grænseflader, Jeg tror, ​​det er meget usandsynligt, at der ville være hele galakser lavet af antistof, " siger teoretisk astrofysiker Roger Blandford fra Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, et fælles institut for Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory. "Men det er den slags undersøgelser, der stadig kan give os en overraskende opdagelse."

Kosmiske stråler kunne også fortælle os noget om mørkt stof, som aldrig er blevet opdaget direkte.

Kosmiske stråler kan bestå af en række forskellige partikler, såsom elektroner eller deres antimateriale -modstykker, positroner. I tidligere målinger, AMS opdagede et overraskende antal positroner i den højere ende af dets energiområde. Det er muligt, at kollisioner mellem mørkt stof partikler skabte dette overskud af antistof partikler.

En opdateret analyse - denne her bruger næsten det dobbelte af antallet af elektroner og positroner - viser fortsat dette overskud. Men mørkt stof er ikke den eneste mulige årsag, siger Blandford.

"En fortolkning er, at man ser udslettelse af mørke stofpartikler, " siger han. "Men der kan være lige så rimelige forklaringer forbundet med traditionel astrofysik, der kunne lave den samme slags signal."

Pulsarer er en særlig vanskelig alternativ kilde til at udelukke. Men AMS-forskere forventer, at de vil indsamle nok data til bedre at kunne skelne mellem modeller inden 2024, Ting sagde i sin præsentation.

Kosmiske stråler kunne fortælle os om deres historie.

Når partikler i kosmiske stråler nærmer sig lysets hastighed, tiden bremses effektivt for dem, som Albert Einstein forudsagde i sin relativitetsteori. Vi kan se tegn på tidsudvidelse i den forlængede levetid for partikler, der rejser tæt på lysets hastighed.

I et kommende AMS-resultat, forskere ser på, hvor meget levetiden for isotoper af beryllium strækker sig, når de rejser i kosmiske stråler. Baseret på den måling, de anslår, at de kosmiske stråler, vi ser i vores galakse, er omkring 12 millioner år gamle.

Kosmiske stråler kunne fortælle os om, hvad de går igennem på deres rejse til Jorden.

Både observation og teori har en vej at gå på dette område, siger Blandford. "De er begge i gang, og trods store fremskridt, vi forstår stadig ikke, hvordan kosmiske stråler udbreder sig fra deres kilder – primært supernova-rester – til jorden."

Når kosmiske stråler kommer i kollisioner, de kan producere sekundære kosmiske stråler, som består af forskellige ingredienser. I et nyligt offentliggjort resultat, der studerer forholdet mellem bor (findes kun i sekundære kosmiske stråler) og kulstof (findes i primære kosmiske stråler) ved forskellige energier, AMS-forskere fandt mulige beviser for turbulens i de kosmiske strålers vej til vores planet - men intet, der ville forklare positronoverskuddet.

Endelig, kosmiske stråler kunne fortælle os, at vi ikke ved, hvad vi tror, ​​vi ved.

I en upubliceret analyse, AMS-forskere fandt ud af, at deres målinger af spektrene og forholdet mellem forskellige kerner-protoner, lithium og helium – passede ikke godt med forudsigelser. Dette kan betyde, at videnskabsmænds antagelser om kosmiske stråler skal genovervejes.

Det vil AMS-forskere gerne hjælpe med. De planlægger at indsamle data fra hundredvis af milliarder af primære kosmiske stråler i de kommende år, mens deres eksperiment fortsætter sin bane omkring 240 miles over Jorden.