Avances recientes en la observación de radiaciones de alta energía, incluyendo rayos X y rayos gamma, han revelado muchos aspectos de alta energía del universo. Para lograr una comprensión completa de estas radiaciones, sin embargo, Los investigadores deben averiguar más sobre las partículas de alta energía (es decir, los rayos cósmicos) que las producen. De hecho, Las radiaciones no térmicas caracterizadas por el espectro de la ley de potencias están respaldadas por la aceleración y propagación de estos rayos.

Una observación directa de estos rayos cósmicos solo se puede lograr colocando instrumentos de medición sobre todo, o la mayoría, de la atmósfera terrestre. Además, ya que estas partículas de mayor energía son bastante raras, estudiarlos requiere tiempos de observación significativamente largos. La Estación Espacial Internacional (ISS) es, por tanto, un lugar ideal para recopilar estas observaciones.

La colaboración CALET, un gran equipo de investigadores de varias universidades de renombre en todo el mundo, ha desarrollado un instrumento que puede identificar partículas de alta energía (por ejemplo, electrones, protones y otros núcleos atómicos) y medir con precisión su energía. Luego colocaron este instrumento en la ISS y lo usaron para recolectar una medición directa del espectro de protones de rayos cósmicos. En un artículo reciente publicado en Cartas de revisión física , los investigadores presentaron el análisis y los resultados de sus mediciones.

"Para observar los rayos cósmicos, especialmente los rayos cósmicos galácticos, es necesario detectarlos a gran altura donde la atmósfera restante es suficientemente delgada, "la colaboración de CALET le dijo a Phys.org, vía correo electrónico. "Para este propósito, muchos instrumentos están diseñados y volados para realizar observaciones directas durante años. Como resultado, ahora tenemos una imagen estándar de los rayos cósmicos galácticos y sabemos que los rayos cósmicos son acelerados por las ondas de choque en los remanentes de supernova, propagarse de manera difusa a través de la irregularidad del campo magnético galáctico, y finalmente escapar de nuestra Galaxia ".

Desde principios del 21 ^{S t} siglo, Los investigadores han logrado avances significativos en la observación de rayos cósmicos utilizando técnicas de detección de partículas desarrolladas en experimentos de colisionadores. En las ultimas decadas, Los experimentos espaciales que aprovechan la falta de atmósfera de la Tierra también han sugerido la aparición de un endurecimiento espectral inesperado en los rayos cósmicos como los protones, contradiciendo las predicciones previas de espectro de ley de potencias únicas. Los investigadores han propuesto varios modelos teóricos para explicar este endurecimiento espectral observado, que todavía se debaten activamente.

El telescopio de electrones calorimétrico (CALET) creado por la colaboración CALET es un instrumento espacial optimizado para medir el espectro de todos los electrones y equipado con un calorímetro completamente activo. Su instrumento puede medir los componentes principales de los rayos cósmicos, incluidos los protones, núcleos ligeros y pesados ​​en el rango de energía hasta 1 PeV.

"CALET se optimizó para la medición de electrones de rayos cósmicos, pero también es maravillosamente capaz de identificar otras partículas cargadas:protones (que son núcleos de hidrógeno), núcleos de helio, y núcleos de elementos más pesados, "explicó la colaboración CALET.

CALET se compone de tres sistemas de detección, cada uno compuesto por varios tipos de centelleadores que emiten un pulso de luz cuando son penetrados por una partícula cargada. El detector de carga (CHD) en su parte superior puede identificar la carga de la partícula incidente (es decir, 1 para electrones y protones, 2 para núcleos de helio, etc.), mientras que un calorímetro de imágenes (IMC) complementa la medición de carga del CHD, identifica la trayectoria de la partícula y comienza a medir su energía. El componente final de CALET es un calorímetro centelleante de absorción total (TASC); una pila muy gruesa [26,4 cm] de centelleadores de alta densidad (tungstato de plomo) que es lo suficientemente gruesa como para contener toda la lluvia de partículas iniciada por la interacción de la partícula con capas delgadas de tungsteno intercaladas entre centelleadores en el IMC. El componente TASC es más grueso que cualquier calorímetro espacial desarrollado previamente, lo que le da a CALET una precisión y rango de medición de energía sin precedentes.

CALET se lanzó oficialmente el 19 de agosto, 2015 e instalado en la instalación expuesta al módulo experimental japonés en la ISS, con una duración prevista de la misión de cinco o más años. Las observaciones científicas de los investigadores comenzaron unos meses después, el 13 de octubre y desde entonces se han realizado operaciones continuas.

"Nuestro análisis de datos consiste en la calibración del detector, reconstrucción de eventos, selección de candidatos a protones basada en la carga y otras cantidades, estimación de la contaminación restante y su sustracción, desarrollo de energía considerando la respuesta del detector y la detección

corrección de eficiencia, "La colaboración CALET explicó." La evaluación detallada de las incertidumbres sistemáticas, incluida la puesta a punto y la validación de la simulación de Monte Carlo utilizando los resultados de las pruebas de haces en el CERN-SPS, es otro punto clave en este análisis ".

Los resultados recientes publicados por los investigadores se basan en datos de vuelo hasta el 31 de agosto. 2018. El conjunto de datos completamente calibrado y reconstruido que recopilaron, apodado 'nivel 2, "ascendió a más de 30 TB, sin embargo, el espectro de protones resultante era simplemente de unos pocos kB. El instrumento espacial CALET permitió la medición del espectro de protones de rayos cósmicos de cobertura de 50 GeV a 10 TeV, Por primera vez, todo el intervalo de energía que se investigó previamente en subrangos separados utilizando diferentes espectrómetros magnéticos (por ejemplo, BESS-TeV, PAMELA, y AMS-02) e instrumentos calorimétricos (por ejemplo, ATIC, CREMA, y NUCLEON), con un solo instrumento.

"CALET ha proporcionado una medición precisa del espectro de energía de protones de rayos cósmicos en una gama más amplia de energías que cualquier resultado publicado anteriormente de otros instrumentos, ", dijeron los investigadores." Los resultados de CALET concuerdan con las mediciones anteriores a energías más bajas, y extender esas medidas a energías superiores ".

Usando CALET, los investigadores finalmente pudieron establecer que la intensidad de los protones a energías más altas es significativamente mayor de lo que se esperaría de una simple extrapolación del espectro de intensidad de energías más bajas, que ya había sido sugerido por mediciones anteriores. Este "endurecimiento" del espectro de protones de alta energía exige una alteración de los métodos anteriores de producción y propagación de rayos cósmicos a través de nuestra galaxia.

"CALET proporciona una medición directa precisa del espectro de protones de rayos cósmicos en un amplio rango de energía de 50 GeV a 10 TeV que muestra un endurecimiento progresivo en la región de TeV, lo que limita severamente los modelos actuales de aceleración y propagación de los rayos cósmicos galácticos discutiendo el endurecimiento generalmente observado de los espectros de los núcleos, "explicaron los investigadores." La medición CALET ayuda a dibujar una imagen experimental coherente, Superar el problema de larga data de conectar las mediciones precisas realizadas por espectrómetros magnéticos por debajo de aproximadamente 1 TeV, con mediciones calorimétricas realizadas por experimentos con globos a energías supra-TeV. Creemos que esto podría considerarse como uno de los aspectos más destacados en la historia de las mediciones del espectro de protones ".

Además de confirmar la existencia de endurecimiento espectral, las mediciones recopiladas por la colaboración CALET podrían informar los cálculos utilizados en búsquedas indirectas de materia oscura, neutrinos atmosféricos y cosmogénicos, así como física de rayos gamma. Los investigadores ahora planean probar una hipótesis adicional relacionada con un posible corte dependiente de la carga en los espectros de los núcleos. lo que explicaría la "rodilla" observada en el espectro de todas las partículas. Esta hipótesis solo puede probarse directamente con mediciones recopiladas en experimentos espaciales de una duración significativa, con exposición significativa y con la capacidad de identificar elementos individuales basados ​​en mediciones de carga.

"El límite de aceleración de los remanentes de supernova calculado con parámetros estándar suele ser mucho menor que la energía de la 'rodilla". 'según lo observado indirectamente por detectores terrestres, "explicaron los investigadores." Por lo tanto, La observación directa precisa de los espectros de protones y helio a alta energía es muy importante. Las estadísticas mejoradas y una mejor comprensión del instrumento basadas en el análisis de datos de vuelo adicionales durante los cinco años (o más) en curso de observaciones podrían revelar un corte de energía dependiente de la carga posiblemente debido al límite de aceleración en los remanentes de supernova en los espectros de protones y helio. o establecer restricciones importantes sobre los modelos de aceleración ".

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