Recente vorderingen in de waarneming van hoogenergetische stralingen, waaronder röntgen- en gammastraling, hebben veel hoogenergetische aspecten van het universum onthuld. Om een ​​volledig begrip van deze stralingen te krijgen, echter, onderzoekers moeten meer te weten komen over de hoogenergetische deeltjes (d.w.z. kosmische straling) die ze produceren. In feite, niet-thermische stralingen die worden gekenmerkt door het machtswetspectrum worden allemaal ondersteund door de versnelling en voortplanting van deze stralen.

Een directe waarneming van deze kosmische straling kan alleen worden bereikt door vooral meetinstrumenten te plaatsen, of de meeste, van de atmosfeer van de aarde. In aanvulling, aangezien deze deeltjes met de hoogste energie vrij zeldzaam zijn, het bestuderen ervan vereist aanzienlijk lange observatietijden. Het International Space Station (ISS) is dus een ideale locatie om deze waarnemingen te verzamelen.

De CALET-samenwerking, een groot team van onderzoekers van verschillende gerenommeerde universiteiten wereldwijd, heeft een instrument ontwikkeld dat hoogenergetische deeltjes (bijvoorbeeld elektronen, protonen en andere atoomkernen) en nauwkeurig hun energie meten. Vervolgens plaatsten ze dit instrument op het ISS en gebruikten het om een ​​directe meting van het protonenspectrum van kosmische straling te verzamelen. In een recent artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers presenteerden de analyse en resultaten van hun metingen.

"Om kosmische straling waar te nemen, vooral galactische kosmische straling, het is noodzakelijk om ze op grote hoogte te detecteren waar de resterende atmosfeer voldoende dun is, " vertelde de CALET-samenwerking aan Phys.org, via e-mail. "Voor dit doeleinde, veel instrumenten zijn ontworpen en gevlogen om jarenlang directe observaties uit te voeren. Als resultaat, we hebben nu een standaardbeeld van galactische kosmische straling en weten dat kosmische stralen worden versneld door de schokgolven in supernovaresten, verspreiden zich diffuus door de onregelmatigheid van het galactische magnetische veld, en uiteindelijk ontsnappen uit onze Melkweg."

Sinds het begin van de 21 ^NS eeuw, onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de observatie van kosmische straling met behulp van deeltjesdetectietechnieken die zijn ontwikkeld in collider-experimenten. In de afgelopen decennia is ruimte-experimenten die gebruikmaken van het gebrek aan atmosfeer van de aarde hebben ook gesuggereerd dat er een onverwachte spectrale verharding optreedt in kosmische straling zoals protonen, in tegenspraak met eerdere voorspellingen van het spectrum van enkele machtswetten. Onderzoekers hebben verschillende theoretische modellen voorgesteld om deze waargenomen spectrale verharding te verklaren, waarover nog steeds actief wordt gedebatteerd.

De calorimetrische elektronentelescoop (CALET), gecreëerd door de CALET-samenwerking, is een ruimtegebaseerd instrument dat is geoptimaliseerd om het volledige elektronenspectrum te meten en is uitgerust met een volledig actieve calorimeter. Hun instrument kan de belangrijkste componenten van kosmische straling meten, inclusief protonen, lichte en zware kernen in het energiebereik tot 1 PeV.

"CALET is geoptimaliseerd voor het meten van elektronen uit kosmische straling, maar is ook prachtig in staat om andere geladen deeltjes te identificeren:protonen (wat waterstofkernen zijn), heliumkernen, en kernen van zwaardere elementen, " de CALET-samenwerking uitgelegd.

CALET bestaat uit drie detectorsystemen, elk samengesteld uit verschillende soorten scintillatoren die een lichtpuls uitzenden wanneer ze worden gepenetreerd door een geladen deeltje. De ladingsdetector (CHD) bovenaan kan de lading van het invallende deeltje identificeren (d.w.z. 1 voor elektronen en protonen, 2 voor heliumkernen, enzovoort.), terwijl een beeldcalorimeter (IMC) de ladingsmeting van de CHD aanvult, identificeert de baan van het deeltje en begint zijn energie te meten. Het laatste onderdeel van CALET is een scintillerende calorimeter met totale absorptie (TASC); een zeer dikke [26,4 cm] stapel scintillatoren met een hoge dichtheid (loodwolframaat) die dik genoeg is om de hele regen van deeltjes te bevatten die wordt geïnitieerd door de interactie van het deeltje met dunne lagen wolfraam die tussen scintillatoren in het IMC worden afgewisseld. De TASC-component is dikker dan alle eerder ontwikkelde op de ruimte gebaseerde calorimeter, wat CALET een ongekende precisie en bereik van energiemeting geeft.

CALET werd officieel gelanceerd op 19 augustus, 2015 en geïnstalleerd op de Japanse Experiment Module-Exposed Facility op het ISS, met een verwachte missieduur van vijf jaar of meer. De wetenschappelijke observaties van de onderzoekers begonnen een paar maanden later, op 13 oktober, en sindsdien zijn er continue operaties uitgevoerd.

"Onze data-analyse bestaat uit detectorkalibratie, reconstructie van evenementen, proton-kandidaat selectie op basis van de lading en andere hoeveelheden, schatting van de resterende verontreiniging en de aftrekking ervan, energie die zich ontvouwt, rekening houdend met de reactie van de detector en de detectie-

efficiëntie correctie, "De CALET-samenwerking legde uit. "Gedetailleerde beoordeling van systematische onzekerheden, waaronder de afstemming en validatie van de Monte Carlo-simulatie met behulp van de straaltestresultaten bij CERN-SPS, is een ander belangrijk punt in deze analyse."

De recente resultaten die door de onderzoekers zijn gepubliceerd, zijn gebaseerd op vluchtgegevens tot en met 31 augustus, 2018. De volledig gekalibreerde en gereconstrueerde dataset die ze verzamelden, genaamd 'niveau 2, " bedroeg meer dan 30 TB, toch was het resulterende protonenspectrum slechts een paar kB ervan. Het CALET-ruimte-instrument maakte de meting mogelijk van het protonenspectrum van kosmische straling van 50 GeV tot 10 TeV, voor de allereerste keer, het hele energie-interval dat eerder in afzonderlijke subbereiken werd onderzocht met behulp van verschillende magnetische spectrometers (bijv. BESS-TeV, PAMELA, en AMS-02) en calorimetrische instrumenten (bijv. ATIC, ROOM, en NUCLEON), met een enkel instrument.

"CALET heeft een nauwkeurige meting gegeven van het protonenenergiespectrum van de kosmische straling over een groter bereik van energieën dan van alle eerder gepubliceerde resultaten van andere instrumenten, " zeiden de onderzoekers. "De resultaten van CALET komen overeen met eerdere metingen bij lagere energieën, en breid die metingen uit naar hogere energieën."

Met behulp van CALET, de onderzoekers konden eindelijk vaststellen dat de intensiteit van protonen bij hogere energieën aanzienlijk groter is dan zou worden verwacht van een eenvoudige extrapolatie van het intensiteitsspectrum van lagere energieën, die door eerdere metingen al was gesuggereerd. Deze 'verharding' van het hoogenergetische protonenspectrum vereist een wijziging van eerdere methoden voor de productie en voortplanting van kosmische straling door onze melkweg.

"CALET biedt een nauwkeurige directe meting van het protonenspectrum van kosmische straling in een breed energiebereik van 50 GeV tot 10 TeV, wat een progressieve verharding in het TeV-gebied laat zien, waardoor de huidige modellen van versnelling en voortplanting van galactische kosmische straling ernstig worden beperkt, waarbij de algemeen waargenomen verharding van kernspectra wordt besproken, " legden de onderzoekers uit. "De CALET-meting helpt om een ​​coherent experimenteel beeld te schetsen, het oplossen van het al lang bestaande probleem van het verbinden van de nauwkeurige metingen uitgevoerd door magnetische spectrometers onder ongeveer 1 TeV, met calorimetrische metingen uitgevoerd door ballonexperimenten bij supra-TeV-energieën. We denken dat dit kan worden beschouwd als een van de hoogtepunten in de geschiedenis van protonenspectrummetingen."

Naast het bevestigen van het bestaan ​​van spectrale verharding, de metingen die door de CALET-samenwerking zijn verzameld, kunnen informatie opleveren voor berekeningen die worden gebruikt bij indirecte zoekopdrachten naar donkere materie, atmosferische en kosmogene neutrino's, evenals gammastraalfysica. De onderzoekers zijn nu van plan om een ​​verdere hypothese te testen die verband houdt met een mogelijke ladingsafhankelijke afsnijding in de kernspectra, wat de "knie" zou verklaren die wordt waargenomen in het spectrum van alle deeltjes. Deze hypothese kan alleen direct worden getest met metingen die zijn verzameld in ruimte-experimenten van een aanzienlijke duur, met aanzienlijke blootstelling en met de mogelijkheid om individuele elementen te identificeren op basis van ladingsmetingen.

"De versnellingslimiet van supernovaresten berekend met standaardparameters blijkt doorgaans veel kleiner te zijn dan de energie van de 'knie, ' zoals indirect waargenomen door gronddetectoren, " legden de onderzoekers uit. "Daarom, nauwkeurige directe observatie van de proton- en heliumspectra bij hoge energie is van groot belang. Verbeterde statistieken en een beter begrip van het instrument op basis van de analyse van aanvullende vluchtgegevens gedurende de lopende vijf jaar (of meer) waarnemingen zou een ladingsafhankelijke energie-uitschakeling kunnen onthullen, mogelijk als gevolg van de versnellingslimiet in supernovaresten in proton- en heliumspectra, of belangrijke beperkingen opleggen aan de acceleratiemodellen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk