De senaste framstegen inom observation av högenergistrålning, inklusive röntgenstrålar och gammastrålar, har avslöjat många högenergiaspekter av universum. För att uppnå en fullständig förståelse av dessa strålningar, dock, forskare behöver ta reda på mer om de högenergipartiklar (dvs kosmiska strålar) som producerar dem. Faktiskt, icke-termisk strålning som kännetecknas av kraftlagsspektrumet stöds alla av dessa strålars acceleration och utbredning.

En direkt observation av dessa kosmiska strålar kan endast uppnås genom att placera mätinstrument framför allt, eller de flesta, av jordens atmosfär. Dessutom, eftersom dessa partiklar med högst energi är ganska sällsynta, att studera dem kräver betydligt långa observationstider. Den internationella rymdstationen (ISS) är därför en idealisk plats för att samla in dessa observationer.

CALET-samarbetet, ett stort team av forskare från flera välkända universitet världen över, har utvecklat ett instrument som kan identifiera högenergipartiklar (t.ex. elektroner, protoner och andra atomkärnor) och noggrant mäta deras energi. De placerade sedan detta instrument på ISS och använde det för att samla in en direkt mätning av det kosmiska strålprotonspektrumet. I en nyligen publicerad tidning i Fysiska granskningsbrev , forskarna presenterade analysen och resultaten av sina mätningar.

"För att observera kosmiska strålar, speciellt galaktiska kosmiska strålar, det är nödvändigt att upptäcka dem på hög höjd där den återstående atmosfären är tillräckligt tunn, "CALET-samarbetet berättade för Phys.org, via e-post. "För det här syftet, många instrument är designade och flygs för att utföra direkta observationer i flera år. Som ett resultat, vi har nu en standardbild av galaktiska kosmiska strålar och vet att kosmiska strålar accelereras av stötvågorna i supernovarester, fortplanta sig diffusivt genom oregelbundenhet i galaktiskt magnetfält, och slutligen fly från vår galax."

Sedan början av den 21 ^st århundrade, forskare har gjort betydande framsteg i observationen av kosmiska strålar med partikeldetekteringstekniker utvecklade i kolliderexperiment. Under de senaste decennierna, rymdexperiment som utnyttjar jordens brist på atmosfär har också föreslagit förekomsten av en oväntad spektral härdning i kosmiska strålar som protoner, motsäger tidigare spektrumförutsägelser enligt enskild maktlag. Forskare har föreslagit flera teoretiska modeller för att förklara denna observerade spektrala härdning, som fortfarande diskuteras aktivt.

Det kalorimetriska elektronteleskopet (CALET) som skapats av CALET-samarbetet är ett rymdbaserat instrument optimerat för att mäta helelektronspektrat och utrustat med en fullt aktiv kalorimeter. Deras instrument kan mäta huvudkomponenterna i kosmiska strålar, inklusive protoner, lätta och tunga kärnor i energiområdet upp till 1 PeV.

"CALET var optimerad för mätning av kosmiska strålelektroner, men är också vackert kapabel att identifiera andra laddade partiklar:protoner (som är vätekärnor), heliumkärnor, och kärnor av tyngre grundämnen, " förklarade CALET-samarbetet.

CALET består av tre detektorsystem, var och en består av olika typer av scintillatorer som avger en ljuspuls när de penetreras av en laddad partikel. Laddningsdetektorn (CHD) längst upp kan identifiera laddningen av den infallande partikeln (dvs. 1 för elektroner och protoner, 2 för heliumkärnor, etc.), medan en avbildningskalorimeter (IMC) kompletterar laddningsmätningen av CHD, identifierar partikelns bana och börjar mäta dess energi. Den sista komponenten i CALET är en total absorptionsscintillerande kalorimeter (TASC); en mycket tjock [26,4 cm] hög med högdensitetsscintillatorer (blyvolframat) som är tillräckligt tjock för att innehålla hela skuren av partiklar som initierats av interaktion av partikeln med tunna lager av volfram mellan scintillatorer i IMC. TASC-komponenten är tjockare än någon tidigare utvecklad rymdbaserad kalorimeter, vilket ger CALET en oöverträffad precision och omfång för energimätning.

CALET lanserades officiellt redan den 19 augusti, 2015 och installerad på den japanska experimentmodulexponerade anläggningen på ISS, med en förväntad uppdragslängd på fem eller fler år. Forskarnas vetenskapliga observationer började några månader senare, den 13 oktober, och kontinuerlig verksamhet har bedrivits sedan dess.

"Vår dataanalys består av detektorkalibrering, återuppbyggnad av händelser, val av protonkandidat baserat på laddningen och andra kvantiteter, uppskattning av kvarvarande förorening och dess subtraktion, energi som utvecklas med hänsyn till detektorns svar och detektions-

effektivitetskorrigering, ", förklarade CALET-samarbetet. "Detaljerad bedömning av systematiska osäkerheter inklusive trimningen och valideringen av Monte Carlo-simuleringen med hjälp av stråltestresultaten vid CERN-SPS är en annan nyckelpunkt i denna analys."

De senaste resultaten som publicerats av forskarna är baserade på flygdata fram till den 31 augusti, 2018. Den fullt kalibrerade och rekonstruerade datamängden de samlade in, dubbad 'nivå 2, " uppgick till mer än 30 TB, ändå var det resulterande protonspektrumet bara några få kB av det. CALET-rymdinstrumentet möjliggjorde mätning av kosmisk strålprotonspektrum från 50 GeV till 10 TeV som täcker, för första gången, hela energiintervallet som tidigare undersökts i separata delområden med hjälp av olika magnetiska spektrometrar (t.ex. BESS-TeV, PAMELA, och AMS-02) och kalorimetriska instrument (t.ex. ATIC, GRÄDDE, och NUCLEON), med ett enda instrument.

"CALET har tillhandahållit en exakt mätning av den kosmiska strålens protonenergispektrum över ett bredare spektrum av energier än från några tidigare publicerade resultat från andra instrument, ", sa forskarna. "CALETs resultat överensstämmer med tidigare mätningar vid lägre energier, och utöka dessa mätningar till högre energier."

Med CALET, forskarna kunde äntligen fastställa att intensiteten av protoner vid högre energier är betydligt större än vad som skulle förväntas från en enkel extrapolering av intensitetsspektrumet från lägre energier, som redan föreslagits av tidigare mätningar. Denna "härdning" av högenergiprotonspektrumet kräver en förändring av tidigare metoder för produktion av kosmisk strålning och utbredning genom vår galax.

"CALET ger en exakt direkt mätning av det kosmiska strålprotonspektrumet i ett brett energiområde från 50 GeV till 10 TeV som visar progressiv härdning i TeV-regionen, därigenom allvarligt begränsa nuvarande modeller av acceleration och utbredning av galaktiska kosmiska strålar som diskuterar den allmänt observerade härdningen av kärnspektra, " förklarade forskarna. "CALET-mätningen hjälper till att rita en sammanhängande experimentell bild, övervinna det långvariga problemet med att koppla de exakta mätningarna utförda av magnetiska spektrometrar under cirka 1 TeV, med kalorimetriska mätningar utförda av ballongexperiment vid supra-TeV-energier. Vi tror att detta kan betraktas som en av höjdpunkterna i historien om protonspektrummätningar."

Förutom att bekräfta förekomsten av spektral härdning, de mätningar som samlats in av CALET-samarbetet kan ge information om beräkningar som används vid indirekta sökningar efter mörk materia, atmosfäriska och kosmogena neutriner, samt gammastrålningsfysik. Forskarna planerar nu att testa ytterligare en hypotes relaterad till en möjlig laddningsberoende cutoff i kärnspektra, vilket skulle förklara "knäet" som observerats i partikelspektrumet. Denna hypotes kan endast testas direkt med mätningar som samlats in i rymdexperiment av betydande varaktighet, med betydande exponering och med förmåga att identifiera enskilda element utifrån laddningsmätningar.

"Accelerationsgränsen för supernovarester beräknade med standardparametrar befinns vanligtvis vara mycket mindre än energin i 'knä,' ' som observeras indirekt av markdetektorer, " förklarade forskarna. "Därför, exakt direkt observation av proton- och heliumspektra vid hög energi är mycket viktigt. Förbättrad statistik och bättre förståelse av instrumentet baserat på analys av ytterligare flygdata under de pågående fem åren (eller mer) av observationer kan avslöja en laddningsberoende energiavskärning möjligen på grund av accelerationsgränsen i supernovarester i proton- och heliumspektra, eller sätt viktiga begränsningar på accelerationsmodellerna."

© 2019 Science X Network