Les rayons cosmiques chargés, qui sont des ensembles de particules à haute énergie se déplaçant dans l’espace, ont été décrits pour la première fois en 1912 par le physicien Victor Hess. Depuis leur découverte, ils ont fait l’objet de nombreuses études astrophysiques visant à mieux comprendre leur origine, leur accélération et leur propagation dans l’espace, à l’aide de données satellitaires ou d’autres méthodes expérimentales.

La collaboration Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un grand groupe de recherche qui analyse les données recueillies par les grands spectromètres magnétiques spatiaux, a recueilli de nouvelles informations sur les propriétés et la composition de certains types de rayons cosmiques. Dans un nouvel article publié dans Lettres d’examen physique (PRL), ils ont spécifiquement révélé la composition du carbone élémentaire des rayons cosmiques, du néon et du magnésium, ainsi que la composition et les propriétés du soufre des rayons cosmiques.

« Les principales expériences qui étudient les rayons cosmiques ont généralement une erreur de 30% à 50%, souvent à une énergie cinétique inférieure à 50 GeV par noyau », a déclaré Samuel Ting, porte-parole de la collaboration AMS, à Phys.org. « Ces mesures d’erreurs importantes fournissent des informations importantes qui sont cohérentes avec de nombreux modèles théoriques. L’expérience du spectromètre magnétique Alpha sur la Station spatiale internationale fournit des mesures précises en pourcentage des particules élémentaires (électrons, positrons, protons et antiprotons) et de tous les éléments du périodique table à une énergie cinétique de plus de 1 000 gigatoélectrons, volts par nickel.

Certaines des mesures récentes recueillies par le détecteur AMS ont été difficiles à expliquer à l’aide des modèles physiques théoriques actuels. Par exemple, en mesurant la rigidité (c’est-à-dire la quantité de mouvement/charge) de toutes les particules chargées dans les rayons, le détecteur AMS a recueilli des données qui apportent un nouvel éclairage sur les propriétés de deux types différents de rayons cosmiques chargés, que les chercheurs ont nommés primaires et rayons secondaires. .

« Les noyaux des rayons cosmiques primaires (par exemple, He, C, O, Ne, Mg, Si, S, Fe, …) sont synthétisés dans les étoiles et accélérés dans des sources astrophysiques telles que les supernovae, et les rayons cosmiques secondaires (par exemple ie , Li, Be, B, F, …) sont produits dans les interactions d’un rayon proto-cosmique avec des milieux interstellaires », a expliqué Ting. Nos travaux récents sont parus dans PRL Inspiré par notre découverte des propriétés uniques des rayons cosmiques dans deux publications précédentes. »

dans article précédent, AMS Collaboration a montré que les flux de rayons cosmiques primaires contenant Ne, Mg et Si avaient une dépendance à la dureté identique au-dessus de 86,5 GeV, ce qui est significativement différent de la dépendance à la dureté des rayons cosmiques primaires contenant des particules He, C, O et He. Fe. Cela indique que les rayons cosmiques primaires peuvent être divisés en au moins deux sous-classes, que l’équipe a nommées Ne-Mg-Si et He-CO-Fe.

« Jusqu’à présent, on ne sait pas grand-chose sur les propriétés des rayons cosmiques soufrés », a déclaré Ting. « Des études approfondies axées sur les propriétés du soufre cosmique, telles que nos nouveaux travaux, peuvent fournir de nouvelles informations sur les rayons cosmiques primaires, nous aidant à révéler combien de classes de rayons cosmiques primaires existent. »

dans Un autre travail précédentTing et ses collaborateurs ont trouvé des preuves que les rayons cosmiques N, Na et Al sont une combinaison de rayons cosmiques primaires et secondaires. Ils ont ensuite mesuré avec précision ces flux de rayons cosmiques sur une large plage de solidité (de quelques gigavolts à téravolts) et analysé leurs propriétés spectrales pour déterminer leurs composants primaires et secondaires uniques.

« Par exemple, les rapports d’abondance de Na/Si et Al/Si à la source ont été directement mesurés à 0,036 ± 0,003 et 0,103 ± 0,004, respectivement », a déclaré Ting. Ces mesures sont indépendantes des modèles de rayons cosmiques. Dans notre publication actuelle, nous étendons cette méthode pour mesurer les compositions primaires et secondaires de C, Ne, Mg et S, qui sont traditionnellement supposées être des rayons cosmiques primaires. De manière inattendue, nous avons constaté que tous ces éléments ont des contributions secondaires, de grandes quantités de rayons cosmiques lourds entrant en collision avec les milieux interstellaires.

L’échelle AMS est basée sur un magnétomètre à haute résolution qui est généralement utilisé pour réaliser des expériences sur Terre, par exemple pour aider à la recherche de particules fondamentales à l’aide d’accélérateurs. Il se compose de six éléments de détection qui collectent indépendamment des données sur la charge, la masse, la quantité de mouvement et l’énergie des particules élémentaires et des noyaux.

Le compteur AMS est actuellement le seul spectromètre magnétique dans l’espace, les chercheurs sur Terre surveillant de près et en permanence les performances de chacun de ses six éléments pour s’assurer qu’il fonctionne de manière fiable. Avant d’être envoyé dans l’espace, notamment vers la Station spatiale internationale, en 2011, le spectromètre a été soigneusement calibré à l’aide de divers accélérateurs de particules du CERN.

« Pour garantir l’exactitude et la fiabilité des résultats, les données brutes ont été analysées indépendamment par deux à quatre groupes de recherche internationaux », a déclaré Ting. « En analysant les 10 premières années de données à l’échelle AMS, environ 200 milliards de rayons cosmiques, nous avons observé qu’au-dessus de 90 GeV, la dépendance à la rigidité des flux de soufre dans les rayons cosmiques est identique à la dépendance à la rigidité des flux Ne-Mg-Si, qui diffère de la dépendance à la dureté des flux He-CO-Fe. Cela indique que S, de manière inattendue, appartient à la classe Ne-Mg-Si des rayons cosmiques primaires.

L’analyse des données sur les 200 milliards de rayons cosmiques traversant six détecteurs différents était une tâche fastidieuse et chronophage. En fin de compte, les données ont été validées et examinées par quatre équipes de recherche indépendantes situées en Italie, en Suisse, en Chine et aux États-Unis.

« Nous avons également constaté que les rayons cosmiques primaires conventionnels S, Ne, Mg et C ont tous des composants mineurs importants. Le soufre, ainsi que les noyaux cosmiques C, Ne et Mg peuvent être présentés comme une combinaison d’un composant primaire (avant diffusion dans la Voie lactée) et un composant mineur. (Pendant et après la propagation),  » a déclaré Ting, « Le rapport d’abondance dans la source de rayons cosmiques pour S/Si est de 0,167 ± 0,006, pour Ne/Si, il est de 0,833 ± 0,025, pour Mg /Si c’est 0,994 ± 0,029, et pour la plaque C/O est égal à 0,836 ± 0,025. Ces mesures directes sont indépendantes des modèles de rayons cosmiques. »

Notamment, la collaboration AMS a été la première à mesurer avec précision le flux de S dans l’univers de quelques gigavolts à téravolts. Leurs découvertes contribuent de manière significative à la compréhension des rayons cosmiques, de leur composition et de leurs propriétés.

Les analyses de la collaboration AMS indiquent finalement que les contributions primaires et secondaires des flux de rayons cosmiques S, C, Ne et Mg diffèrent nettement de celles des flux N, Na et Al. Leurs découvertes, dont aucune n’est prédite par les modèles actuels de rayons cosmiques, pourraient collectivement aider à mieux comprendre la structure nucléaire des étoiles ainsi que l’origine et la propagation des rayons cosmiques.

« AMS va maintenant poursuivre l’étude minutieuse des éléments cosmiques », a ajouté Ting. « Nous mettons actuellement à niveau notre détecteur en augmentant son acceptation de 300 %. D’ici 2030, nous explorerons les propriétés des éléments cosmiques lourds restants, marqués en blanc. Ainsi, d’ici 2030, nous fournirons des informations précises et complètes sur l’origine. et la reproduction des rayons cosmiques.Cela révélera des secrets Les rayons cosmiques, tels que où et comment ils sont générés, ou comment ils nous parviennent.Dans nos prochains travaux, nous prévoyons d’étudier l’origine de la matière noire grâce à des mesures précises d’électrons, de positrons, antiprotons et antitrons. D’ici 2030, notre étude des spectres d’un positron, d’un électron, d’un antiproton et d’un antiproton ainsi que Combiné avec l’étude de l’anisotropie des positrons, une explication des résultats actuels inattendus de l’AMS. »

Lors de l’analyse des données AMS, Ting et ses collaborateurs ont également noté plusieurs particules qui pourraient être des candidats viables à l’antimatière lourde, y compris l’antihélium. Ainsi, ils prévoient également de continuer à rechercher davantage de ces particules, en particulier les carbones et les antioxydants. Parallèlement, ils analysent les changements du flux quotidien de tous les rayons cosmiques dans l’héliosphère au cours de cycles solaires de 11 ans et 22 ans, ce qui pourrait donner lieu à d’autres découvertes intéressantes.