Direkte måling af cosmic-ray protonspektret med CALET på ISS

Nylige fremskridt inden for observation af højenergistråling, herunder røntgen- og gammastråler, har afsløret mange højenergiske aspekter af universet. For at opnå en fuldstændig forståelse af disse strålinger, imidlertid, forskere skal finde ud af mere om de højenergipartikler (dvs. kosmiske stråler), der producerer dem. Faktisk, ikke-termiske stråler karakteriseret ved power-law-spektret støttes alle af acceleration og forplantning af disse stråler.

En direkte observation af disse kosmiske stråler kan kun opnås ved at placere måleinstrumenter frem for alt, eller de fleste, af Jordens atmosfære. Ud over, da disse højest energipartikler er ret sjældne, at studere dem kræver betydeligt lange observationstider. Den internationale rumstation (ISS) er således et ideelt sted at indsamle disse observationer.

CALET -samarbejdet, et stort team af forskere fra flere anerkendte universiteter verden over, har udviklet et instrument, der kan identificere højenergipartikler (f.eks. elektroner, protoner og andre atomkerner) og måler deres energi nøjagtigt. De placerede derefter dette instrument på ISS og brugte det til at indsamle en direkte måling af det kosmiske stråles protonspektrum. I en nylig artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne præsenterede analysen og resultaterne af deres målinger.

"For at observere kosmiske stråler, især galaktiske kosmiske stråler, det er nødvendigt at opdage dem i stor højde, hvor den resterende atmosfære er tilstrækkelig tynd, "fortalte CALET -samarbejdet til Phys.org, via e-mail. "Til dette formål, mange instrumenter er designet og fløjet til at udføre direkte observationer i årevis. Som resultat, vi har nu et standardbillede af galaktiske kosmiske stråler og ved, at kosmiske stråler accelereres af chokbølgerne i supernova -rester, formerer sig diffust gennem uregelmæssigheden af ​​det galaktiske magnetfelt, og endelig flygte fra vores galakse. "

Siden begyndelsen af ​​21 ^st århundrede, forskere har gjort betydelige fremskridt i observationen af ​​kosmiske stråler ved hjælp af partikeldetekteringsteknikker udviklet i kolliderforsøg. I løbet af de sidste årtier har rumforsøg, der udnytter Jordens mangel på atmosfære, har også antydet forekomsten af ​​en uventet spektral hærdning i kosmiske stråler såsom protoner, modsiger tidligere enkelt power-law spektrumforudsigelser. Forskere har foreslået flere teoretiske modeller for at forklare denne observerede spektrale hærdning, som stadig diskuteres aktivt.

Det kalorimetriske elektronteleskop (CALET), der er skabt af CALET-samarbejdet, er et rumbaseret instrument, der er optimeret til at måle helelektronspektret og udstyret med et fuldt aktivt kalorimeter. Deres instrument kan måle hovedkomponenterne i kosmiske stråler, inklusive protoner, lette og tunge kerner i energiområdet op til 1 PeV.

"CALET blev optimeret til måling af kosmiske stråleelektroner, men er også smukt i stand til at identificere andre ladede partikler:protoner (som er brintkerner), heliumkerner, og kerner af tungere grundstoffer, "forklarede CALET -samarbejdet.

CALET består af tre detektorsystemer, hver sammensat af forskellige typer scintillatorer, der udsender en lyspuls, når den trænges ind af en ladet partikel. Ladningsdetektoren (CHD) øverst kan identificere ladningen af ​​den indfaldende partikel (dvs. 1 for elektroner og protoner, 2 for heliumkerner, etc.), mens et billeddannelseskalorimeter (IMC) supplerer ladningsmåling af CHD, identificerer partikelbanen og begynder at måle dens energi. Den sidste komponent i CALET er et totalt absorberende scintillerende kalorimeter (TASC); en meget tyk [26,4 cm] stak højintensitetsscintillatorer (blytungstat), der er tyk nok til at indeholde hele partiklen, der initieres ved partikels interaktion med tynde lag wolfram spredt mellem scintillatorer i IMC. TASC-komponenten er tykkere end noget tidligere udviklet rumbaseret kalorimeter, hvilket giver CALET en hidtil uset præcision og rækkevidde af energimåling.

CALET blev officielt lanceret tilbage i august 19, 2015 og installeret på den japanske eksperimentmodul-eksponerede facilitet på ISS, med en forventet missionstid på fem eller flere år. Forskernes videnskabelige observationer begyndte et par måneder senere, den 13. oktober, og løbende operationer er blevet udført siden.

"Vores dataanalyse består af detektorkalibrering, rekonstruktion af begivenheder, udvælgelse af protonkandidater baseret på afgift og andre mængder estimering af resterende kontaminering og dens subtraktion energi udfolder sig i betragtning af detektorrespons og detektions-

effektivitetskorrektion, "forklarede CALET-samarbejdet." Detaljeret vurdering af systematiske usikkerheder, herunder justering og validering af Monte Carlo-simuleringen ved hjælp af stråletestresultaterne på CERN-SPS er et andet centralt punkt i denne analyse. "

De nylige resultater offentliggjort af forskerne er baseret på flyvedata frem til 31. august, 2018. Det fuldt kalibrerede og rekonstruerede datasæt, de indsamlede, kaldet 'niveau 2, "udgjorde mere end 30 TB, alligevel var det resulterende protonspektrum blot et par kB af det. CALET-ruminstrumentet muliggjorde måling af det kosmiske stråle-protonspektrum fra 50 GeV til 10 TeV-dækninger, for allerførste gang, hele energiintervallet, der tidligere blev undersøgt i separate underområder ved hjælp af forskellige magnetiske spektrometre (f.eks. BESS-TeV, PAMELA, og AMS-02) og kalorimetriske instrumenter (f.eks. ATIC, FLØDE, og NUCLEON), med et enkelt instrument.

"CALET har leveret en præcis måling af det kosmiske stråle-protons energispektrum over et bredere spektrum af energier end fra tidligere offentliggjorte resultater fra andre instrumenter, "sagde forskerne." CALETs resultater stemmer overens med tidligere målinger ved lavere energier, og udvide disse målinger til højere energier. "

Ved hjælp af CALET, forskerne kunne endelig fastslå, at intensiteten af ​​protoner ved højere energier er betydeligt større, end man kunne forvente ved en simpel ekstrapolering af intensitetsspektret fra lavere energier, som allerede var blevet foreslået ved tidligere målinger. Denne 'hærdning' af det højenergiske protonspektrum kræver en ændring af tidligere metoder til kosmisk stråleproduktion og forplantning gennem vores galakse.

"CALET giver en nøjagtig direkte måling af det kosmiske stråleprotonspektrum i et bredt energiområde fra 50 GeV til 10 TeV, der viser progressiv hærdning i TeV-regionen, derved stærkt begrænsende nuværende modeller for acceleration og forplantning af galaktiske kosmiske stråler, der diskuterer den generelt observerede hærdning af kernespektre, "forklarede forskerne." CALET -målingen er med til at tegne et sammenhængende eksperimentelt billede, overvinde det mangeårige problem med at forbinde de præcise målinger udført af magnetiske spektrometre under ca. 1 TeV, med kalorimetriske målinger udført ved ballonforsøg ved supra-TeV energier. Vi tror, ​​at dette kunne betragtes som et af højdepunkterne i protonspektrummålingernes historie. "

Ud over at bekræfte eksistensen af ​​spektral hærdning, målingerne indsamlet af CALET -samarbejdet kunne informere beregninger, der blev brugt ved indirekte søgninger efter mørkt stof, atmosfæriske og kosmogene neutrinoer, samt gammastrålefysik. Forskerne planlægger nu at teste en yderligere hypotese relateret til en mulig ladningsafhængig afbrydelse i kernespektrene, hvilket ville forklare det "knæ", der blev observeret i helpartikelspektret. Denne hypotese kan kun testes direkte med målinger indsamlet i rumforsøg af en betydelig varighed, med betydelig eksponering og med evnen til at identificere individuelle elementer baseret på ladningsmålinger.

"Accelerationsgrænsen for supernova -rester beregnet med standardparametre findes typisk at være langt mindre end energien i knæet, 'som indirekte observeret af jorddetektorer, "forklarede forskerne." Derfor er præcis direkte observation af proton- og heliumspektrene ved høj energi er yderst vigtig. Forbedret statistik og bedre forståelse af instrumentet baseret på analysen af ​​yderligere flyvedata i løbet af de igangværende fem år (eller mere) af observationer kan afsløre en ladningsafhængig energiforbindelse muligvis på grund af accelerationsgrænsen for supernova -rester i proton- og heliumspektre, eller sætte vigtige begrænsninger for accelerationsmodellerne. "

© 2019 Science X Network