Os raios cósmicos carregados, aglomerados de partículas de alta energia que se movem pelo espaço, foram descritos pela primeira vez em 1912 pelo físico Victor Hess. Desde a sua descoberta, têm sido objeto de numerosos estudos astrofísicos com o objetivo de compreender melhor a sua origem, aceleração e propagação no espaço, utilizando dados de satélite ou outros métodos experimentais.

A colaboração Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), um grande grupo de pesquisa que analisa dados coletados por um grande espectrômetro magnético no espaço, recentemente reuniu novas informações sobre as propriedades e a composição de tipos específicos de raios cósmicos. Em um novo artigo, publicado em Physical Review Letters ( PRL ), eles revelaram especificamente a composição do carbono primário dos raios cósmicos, neon e magnésio, juntamente com a composição e propriedades do enxofre dos raios cósmicos.

“Experiências pioneiras estudando raios cósmicos têm tipicamente um erro de 30% a 50% e principalmente na energia cinética abaixo de 50 Giga elétron-volts por núcleon”, disse Samuel Ting, porta-voz da AMS Collaboration, à Phys.org. "Essas grandes medições de erro fornecem informações importantes que concordam com muitos modelos teóricos. O experimento Alpha Magnetic Spectrometer na Estação Espacial Internacional fornece medições de precisão percentual de partículas elementares (elétrons, pósitrons, prótons e antiprótons) e todos os elementos da tabela periódica acima à energia cinética de mais de 1.000 Giga elétron-volts por núcleon."

Algumas das medições recentes coletadas pelo detector AMS têm sido difíceis de explicar usando modelos físicos teóricos existentes. Por exemplo, medindo a rigidez (isto é, momento/carga) de todas as partículas carregadas nos raios, o detector AMS coletou dados lançando nova luz sobre as propriedades de dois tipos diferentes de raios cósmicos carregados, que os pesquisadores apelidaram de raios primários e secundários. .

"Raios cósmicos primários (por exemplo, He, C, O, Ne, Mg, Si, S, Fe, …) núcleos são sintetizados em estrelas e acelerados em fontes astrofísicas como supernovas, e raios cósmicos secundários (por exemplo, Li, Be, B , F, …) núcleos são produzidos nas interações do raio cósmico primário com a mídia interestelar", explicou Ting. "Nosso trabalho recente apresentado no PRL foi inspirado por nossa descoberta de propriedades únicas de raios cósmicos em duas publicações anteriores."

Em um artigo anterior , a Colaboração AMS mostrou que fluxos de raios cósmicos primários contendo Ne, Mg e Si tinham uma dependência de rigidez idêntica acima de 86,5 Giga volts, que diferia significativamente da dependência de rigidez de raios cósmicos primários contendo He, C, O e Partículas de Fe. Isso sugere que os raios cósmicos primários podem ser divididos em pelo menos duas subclasses, que a equipe apelidou de Ne-Mg-Si e He-C-O-Fe.

"Até agora, pouco se sabe sobre as propriedades dos raios cósmicos de enxofre", disse Ting. “Estudos de precisão com foco nas propriedades do enxofre cósmico, como nosso novo trabalho, podem fornecer novos insights sobre os raios cósmicos primários, ajudando-nos a desvendar quantas classes de raios cósmicos primários existem”.

Em outro trabalho anterior , Ting e seus colaboradores encontraram evidências sugerindo que os raios cósmicos N, Na e Al são combinações de raios cósmicos primários e secundários. Eles então mediram com precisão os fluxos desses raios cósmicos em uma ampla faixa de rigidez (ou seja, de alguns Giga volts a Tera volts) e analisaram suas propriedades de espectro para determinar seus componentes primários e secundários únicos.

"Por exemplo, as razões de abundância de Na/Si e Al/Si na fonte foram medidas diretamente como 0,036±0,003 e 0,103±0,004, respectivamente", disse Ting. "Essas medições são independentes dos modelos de raios cósmicos. Em nossa publicação atual, estendemos esse método para medir as composições primária e secundária de C, Ne, Mg e S, que são tradicionalmente considerados raios cósmicos primários. Inesperadamente, descobrimos que todos esses elementos têm contribuições secundárias consideráveis ??da colisão de raios cósmicos mais pesados ??com a mídia interestelar."

O AMS conta com um espectrômetro magnético de alta precisão que geralmente é usado para realizar experimentos na Terra, por exemplo, auxiliando na busca de partículas fundamentais usando aceleradores. É composto por seis elementos de detecção que coletam independentemente dados sobre carga, massa, momento e energia de partículas elementares e núcleos.

O AMS é atualmente o único espectrômetro magnético situado no espaço, com pesquisadores na Terra monitorando de perto e continuamente o funcionamento de cada um de seus seis elementos para garantir que ele opere de maneira confiável. Antes de ser enviado ao espaço, especificamente à Estação Espacial Internacional, em 2011, o espectrômetro foi cuidadosamente calibrado com diferentes aceleradores de partículas do CERN.

"Para garantir a precisão e confiabilidade dos resultados, os dados brutos foram analisados ??independentemente por dois a quatro grupos de pesquisa internacionais", disse Ting. "Ao analisar os primeiros 10 anos dos dados do AMS, ou seja, cerca de 200 bilhões de raios cósmicos, observamos que acima de 90 Giga volts a dependência da rigidez do fluxo de enxofre nos raios cósmicos é idêntica à dependência da rigidez dos fluxos Ne-Mg-Si , que é diferente da dependência de rigidez dos fluxos He-CO-Fe. Isso mostra que S, inesperadamente, pertence à classe Ne-Mg-Si de raios cósmicos primários."

Analisar dados relacionados a 200 bilhões de raios cósmicos passando por seis detectores diferentes foi uma tarefa árdua e demorada. Por fim, a precisão dos dados foi verificada e cruzada por quatro equipes de pesquisa independentes localizadas na Itália, Suíça, China e Estados Unidos.

"Também descobrimos que os raios cósmicos primários tradicionais S, Ne, Mg e C têm componentes secundários consideráveis. O enxofre, juntamente com os núcleos cósmicos C, Ne e Mg, podem ser apresentados como uma soma de componentes primários (antes da propagação Via Láctea) e componente secundário (durante e após a propagação)", disse Ting, "A taxa de abundância na fonte de raios cósmicos para S/Si é 0,167±0,006, para Ne/Si é 0,833±0,025, para Mg/Si é 0,994 ±0,029, e para C/O é 0,836±0,025. Essas medições diretas são independentes dos modelos de raios cósmicos."

Notavelmente, a Colaboração AMS foi a primeira a medir com precisão o fluxo de S no cosmos de alguns Giga volts a Tera volts. Suas descobertas contribuem muito para a compreensão dos raios cósmicos, sua composição e características.

As análises realizadas pela colaboração AMS finalmente sugerem que as contribuições primárias e secundárias dos fluxos de raios cósmicos primários de S, C, Ne e Mg são marcadamente diferentes daquelas dos fluxos de N, Na e Al. Suas descobertas, nenhuma das quais foi prevista pelos modelos de raios cósmicos existentes, poderiam ajudar coletivamente a entender melhor a nucleossíntese nas estrelas, bem como a origem e propagação dos raios cósmicos.

“O AMS agora continuará o estudo de precisão dos elementos cósmicos”, acrescentou Ting. "Atualmente, estamos atualizando nosso detector aumentando sua aceitação em 300%. Até 2030, exploraremos as propriedades dos elementos remanescentes de raios cósmicos pesados, marcados em branco. Assim, até 2030 forneceremos informações precisas e abrangentes sobre a origem dos raios cósmicos e propagação. Isso irá desvendar os mistérios dos raios cósmicos, como onde e como eles são criados, ou como eles chegam até nós. Em nossos próximos trabalhos, planejamos estudar a origem da matéria escura por medições de precisão de elétrons, pósitrons, antiprótons e antideuterons. Em 2030, nosso estudo dos espectros de pósitrons, elétrons, antiprótons e antideuterons, juntamente com o estudo da anisotropia do pósitron, fornecerá uma explicação dos atuais resultados inesperados do AMS."

Ao analisar os dados do AMS, Ting e seus colaboradores também observaram várias partículas que poderiam ser candidatas viáveis ??à antimatéria pesada, incluindo o anti-hélio. Eles também planejam continuar procurando por mais dessas partículas, particularmente anticarbono e antioxigênio. Ao mesmo tempo, eles estão analisando as variações diárias do fluxo de todos os raios cósmicos na heliosfera ao longo de ciclos solares de 11 e 22 anos, o que pode render outras descobertas interessantes.