Avanços recentes na observação de radiações de alta energia, incluindo raios X e raios gama, revelaram muitos aspectos de alta energia do universo. Para alcançar uma compreensão completa dessas radiações, Contudo, os pesquisadores precisam descobrir mais sobre as partículas de alta energia (ou seja, os raios cósmicos) que os produzem. Na verdade, radiações não térmicas caracterizadas pelo espectro da lei de potência são todas apoiadas pela aceleração e propagação desses raios.

Uma observação direta desses raios cósmicos só pode ser alcançada colocando instrumentos de medição acima de tudo, ou mais, da atmosfera da Terra. Além disso, como essas partículas de alta energia são bastante raras, estudá-los requer tempos de observação significativamente longos. A Estação Espacial Internacional (ISS) é, portanto, um local ideal para coletar essas observações.

A colaboração CALET, uma grande equipe de pesquisadores de várias universidades renomadas em todo o mundo, desenvolveu um instrumento que pode identificar partículas de alta energia (por exemplo, elétrons, prótons e outros núcleos atômicos) e medem com precisão sua energia. Eles então colocaram este instrumento na ISS e o usaram para coletar uma medição direta do espectro de prótons dos raios cósmicos. Em um artigo recente publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores apresentaram a análise e os resultados de suas medições.

"Para observar os raios cósmicos, especialmente os raios cósmicos galácticos, é necessário detectá-los em grandes altitudes, onde a atmosfera remanescente é suficientemente fina, "a colaboração do CALET disse ao Phys.org, via email. “Para este propósito, muitos instrumentos são projetados e utilizados para realizar observações diretas durante anos. Como resultado, agora temos uma imagem padrão de raios cósmicos galácticos e sabemos que os raios cósmicos são acelerados pelas ondas de choque em remanescentes de supernova, propagam-se difusivamente através da irregularidade do campo magnético galáctico, e, finalmente, escapar de nossa galáxia. "

Desde o início do 21 ^st século, pesquisadores fizeram progressos significativos na observação de raios cósmicos usando técnicas de detecção de partículas desenvolvidas em experimentos com colisor. Nas últimas décadas, experimentos espaciais que aproveitam a falta de atmosfera da Terra também sugeriram a ocorrência de um endurecimento espectral inesperado em raios cósmicos, como prótons, contradizendo as previsões anteriores de espectro de lei de potência única. Os pesquisadores propuseram vários modelos teóricos para explicar este endurecimento espectral observado, que ainda são ativamente debatidos.

O telescópio de elétrons calorimétrico (CALET) criado pela colaboração CALET é um instrumento baseado no espaço otimizado para medir o espectro de todos os elétrons e equipado com um calorímetro totalmente ativo. Seu instrumento pode medir os principais componentes dos raios cósmicos, incluindo prótons, núcleos leves e pesados ​​na faixa de energia até 1 PeV.

"CALET foi otimizado para medição de elétrons de raios cósmicos, mas também é perfeitamente capaz de identificar outras partículas carregadas:prótons (que são núcleos de hidrogênio), núcleos de hélio, e núcleos de elementos mais pesados, "explicou a colaboração do CALET.

CALET é composto por três sistemas de detecção, cada um composto de vários tipos de cintiladores que emitem um pulso de luz quando penetrados por uma partícula carregada. O detector de carga (CHD) em sua parte superior pode identificar a carga da partícula incidente (ou seja, 1 para elétrons e prótons, 2 para núcleos de hélio, etc.), enquanto um calorímetro de imagem (IMC) complementa a medição de carga do CHD, identifica a trajetória da partícula e começa a medir sua energia. O componente final do CALET é um calorímetro cintilante de absorção total (TASC); uma pilha muito espessa [26,4 cm] de cintiladores de alta densidade (tungstato de chumbo) que é espessa o suficiente para conter toda a chuva de partículas iniciada pela interação da partícula com camadas finas de tungstênio intercaladas entre cintiladores no IMC. O componente TASC é mais espesso do que qualquer calorímetro baseado no espaço desenvolvido anteriormente, o que dá ao CALET uma precisão e faixa de medição de energia sem precedentes.

CALET foi lançado oficialmente em 19 de agosto, 2015 e instalado no Módulo Experimental Japonês - Instalação Exposta na ISS, com uma duração prevista de missão de cinco ou mais anos. As observações científicas dos pesquisadores começaram alguns meses depois, em 13 de outubro, e operações contínuas foram realizadas desde então.

"Nossa análise de dados consiste na calibração do detector, reconstrução de eventos, seleção próton-candidato com base na carga e outras quantidades, estimativa da contaminação restante e sua subtração, desdobramento de energia considerando a resposta do detector e a detecção

correção de eficiência, "explicou a colaboração do CALET." A avaliação detalhada das incertezas sistemáticas, incluindo o ajuste e a validação da simulação de Monte Carlo usando os resultados do teste de feixe no CERN-SPS, é outro ponto chave nesta análise. "

Os resultados recentes publicados pelos pesquisadores são baseados em dados de voos até 31 de agosto, 2018. O conjunto de dados totalmente calibrado e reconstruído que eles coletaram, apelidado de 'nível 2, "totalizou mais de 30 TB, no entanto, o espectro de prótons resultante era apenas alguns kB dele. O instrumento espacial CALET permitiu a medição do espectro de prótons de raios cósmicos de cobertura de 50 GeV a 10 TeV, pela primeira vez, todo o intervalo de energia que foi investigado anteriormente em subfaixas separadas usando diferentes espectrômetros magnéticos (por exemplo, BESS-TeV, PAMELA, e AMS-02) e instrumentos calorimétricos (por exemplo, ATIC, CREME, e NUCLEON), com um único instrumento.

"O CALET forneceu uma medição precisa do espectro de energia de prótons dos raios cósmicos em uma gama mais ampla de energias do que qualquer resultado publicado anteriormente de outros instrumentos, "disseram os pesquisadores." Os resultados do CALET concordam com as medições anteriores em energias mais baixas, e estender essas medições para energias mais elevadas. "

Usando CALET, os pesquisadores foram capazes de finalmente estabelecer que a intensidade dos prótons em energias mais altas é significativamente maior do que seria esperado de uma simples extrapolação do espectro de intensidade de energias mais baixas, que já havia sido sugerido por medições anteriores. Este 'endurecimento' do espectro de prótons de alta energia exige uma alteração dos métodos anteriores de produção e propagação de raios cósmicos através de nossa galáxia.

"CALET fornece uma medição direta precisa do espectro de prótons de raios cósmicos em uma ampla faixa de energia de 50 GeV a 10 TeV, mostrando endurecimento progressivo na região de TeV, assim, restringindo severamente os modelos atuais de aceleração e propagação de raios cósmicos galácticos, discutindo o endurecimento geralmente observado dos espectros de núcleos, "os pesquisadores explicaram." A medição CALET ajuda a traçar um quadro experimental coerente, superando o problema de longa data de conectar as medições precisas realizadas por espectrômetros magnéticos abaixo de cerca de 1 TeV, com medições calorimétricas realizadas por experimentos de balão em energias supra-TeV. Achamos que isso pode ser considerado um dos destaques na história das medições do espectro de prótons. "

Além de confirmar a existência de endurecimento espectral, as medições coletadas pela colaboração CALET podem informar cálculos usados ​​em pesquisas indiretas de matéria escura, neutrinos atmosféricos e cosmogênicos, bem como física de raios gama. Os pesquisadores agora estão planejando testar uma outra hipótese relacionada a um possível corte dependente de carga nos espectros dos núcleos, o que explicaria o "joelho" observado no espectro de todas as partículas. Esta hipótese só pode ser testada diretamente com medidas coletadas em experimentos espaciais de duração significativa, com exposição significativa e com a capacidade de identificar elementos individuais com base em medições de carga.

"O limite de aceleração de remanescentes de supernovas calculados com parâmetros padrão é normalmente considerado muito menor do que a energia do 'joelho, 'conforme observado indiretamente por detectores de solo, "os pesquisadores explicaram." Portanto, a observação direta precisa dos espectros de próton e hélio em alta energia é altamente importante. Estatísticas aprimoradas e melhor compreensão do instrumento com base na análise de dados de voo adicionais durante os cinco anos em curso (ou mais) de observações podem revelar um corte de energia dependente de carga, possivelmente devido ao limite de aceleração em remanescentes de supernova em espectros de próton e hélio, ou definir restrições importantes nos modelos de aceleração. "

© 2019 Science X Network