- Pubblicato Domenica, 28 Settembre 2014 20:19
- Scritto da Elisabetta Bonora
Credit: NASA
Recentemente sono stati annunciati i nuovi risultati sulla misura della componente di elettroni e positroni nei raggi cosmici. Sono basati sull'analisi dei primi 41 miliardi di eventi raccolti dall'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
Questi dati forniscono una comprensione più profonda della natura dei raggi cosmici ad alta energia e gettano maggiore luce sull'esistenza della materia oscura.
I risultati, descritti in due articoli distinti pubblicati sulla rivista Physical Review Letter, riguardano la misura della frazione di positroni e lo studio separato dei flussi di elettroni e positroni.
Il primo documento è lo studio di 10,9 milioni elettroni e positroni tra i 41 miliardi di eventi di raggi cosmici primari analizzati, rilevati da AMS.
AMS ha misurato la frazione di positroni (rapporto tra il numero di positroni rispetto al numero combinato di positroni ed elettroni) nell'intervallo di energia tra 0,5 e 500 GeV rilevando che, intorno agli 8 GeV, la frazione inizia ad aumentare rapidamente, come ad indicare la presenza di una nuova sorgente di positroni.
Frazione di positroni misurata da AMS (cerchi rossi) rispetto ai livelli derivanti dalla collisione dei raggi cosmici ordinari. Sopra gli 8 GeV la frazione di positroni comincia ad aumentare rapidamente e questo incremento indica l'esistenza di nuove fonti di positroni.
L'energia corrispondente al picco massimo in cui la frazione di positroni cessa di aumentare è stata calcolata a 275±32 GeV.
L'eccesso della frazione di positroni è isotropa entro un'incertezza del 3%, il che suggerisce fortemente che i positroni energetici non provengono da una specifica direzione nello spazio.
Collisioni ordinarie di raggi cosmici producono frazioni di positroni che decrescono progressivamente con l'energia, mentre collisioni di materia oscura producono un eccesso di positroni rispetto ai livelli "standard". In base ai modelli, il comportamento della frazione di positroni in eccesso dipende dalla natura della materia oscura e questi studi potranno aiutare ad indagarne le origini.
I nuovi risultati AMS sarebbero coerenti con una particella di materia oscura chiamata neutralino ma, per determinare se i fenomeni osservati dipendono effettivamente dalla materia oscura o piuttosto da qualche sorgente astrofisica, come le pulsar, AMS dovrà determinare il tasso con cui la frazione di positrone decade, così come misurare la frazione anti-protone. Ma questi dati verranno probabilmente rilasciati più avanti.
A precision measurement by AMS of the positron fraction in primary cosmic rays in the energy range from 0.5 to 500 GeV based on 10.9 million positron and electron events is presented. This measurement extends the energy range of our previous observation and increases its precision. The new results show, for the first time, that above ∼200 GeV the positron fraction no longer exhibits an increase with energy.
Nel secondo studio, AMS ha esplorato i due flussi di positroni ed elettroni separatamente, analizzando l'intensità degli elettroni e dei positroni nei raggi cosmici nel range di 0,5-700 GeV per il flusso di elettroni e di 0,5-500 GeV per il flusso di positroni.
Queste misurazioni mostrano che i comportamenti degli elettroni e dei positroni sono significativamente diversi tra loro sia in ampiezza che in base all'energia: entrambi cambiano il loro comportamento a circa il 30 GeV ma sono significativamente differenti in ampiezza e in relazione all'energia. Soprattutto tra 20 e 200 GeV, il tasso di variazione del flusso di positroni è sorprendentemente superiore al tasso di elettroni.
Questo dimostra che l'eccesso visto nella frazione di positroni è dovuto ad un eccesso di positroni ad alta energia di origine diversa.
Il grafico superiore mostra la differenza tra il flusso di elettroni (in blu, scala di riferimento a sinistra sull'asse delle ordinate) rispetto al flusso di positroni (in rosso, scala di riferimento a destra sull'asse delle ordinate).
Il grafico inferiore mostra gli indici spettrali del flusso di elettroni e positroni in funzione dell'energia.
Precision measurements by the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station of the primary cosmic-ray electron flux in the range 0.5 to 700 GeV and the positron flux in the range 0.5 to 500 GeV are presented. The electron flux and the positron flux each require a description beyond a single power-law spectrum. Both the electron flux and the positron flux change their behavior at ∼30 GeV but the fluxes are significantly different in their magnitude and energy dependence. Between 20 and 200 GeV the positron spectral index is significantly harder than the electron spectral index. The determination of the differing behavior of the spectral indices versus energy is a new observation and provides important information on the origins of cosmic-ray electrons and positrons.
L'esperimento AMS, con un forte contributo italiano dell'INFN e dell'ASI, ha lo scopo di studiare i raggi cosmici alla ricerca di tracce di antimateria e di materia oscura.
E' stato portato in orbita il 16 maggio 2011 con la penultima missione dello Shuttle, l'STS-134.
Dopo 40 mesi di operazioni nello spazio, ha raccolto 54 miliardi di eventi di raggi cosmici.
Ad oggi, presso l'AMS Science Operations Center (SOC) situato al CERN, ne sono stati analizzati 41 miliardi.
Nel corso della durata della Stazione Spaziale, AMS misurerà centinaia di miliardi di raggi cosmici primari.
Riferimenti:
- http://www.ams02.org/2014/09/new-results-from-the-alpha-magnetic-spectrometer-on-the-international-space-station/
- http://www.ams02.org/wp-content/uploads/2014/09/AMS-PRESS-RELEASE-140918_shrink.pdf
- http://www.asi.it/it/attivita/astrofisica/ams_alpha_magnetic_spectrometer