RICH-Detektor von AMS-02
Physiker präsentierten die Ergebnisse von Messungen von Heliumflüssen in kosmischer Strahlung, die mit dem AMS-Instrument an Bord der Internationalen Raumstation ISS gesammelt wurden. Es stellte sich heraus, dass Variationen in den Isotopen eines Elements in den meisten Fällen konsistent auftreten und viele Eigenschaften für hochenergetische Teilchen Daten von schwereren Kernen entsprechen, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Physical Review Letters.
Kosmische Strahlung sind massive, hochenergetische Teilchen, die ständig mit der Erdatmosphäre kollidieren. Es wird angenommen, dass ihre Quellen aktive galaktische Kerne und Supernova-Explosionen sind, aber in den meisten Fällen kann die Richtung ihrer Ankunft nicht mit ausreichender Genauigkeit verfolgt werden.
Kosmische Strahlung enthält viele Teilchen, von denen die wichtigsten Protonen sind. Sie enthalten jedoch auch Elektronen, Kerne schwererer Elemente und einige Antiteilchen. Kosmische Strahlung wird manchmal auch als Photonen extrem hoher Energien bezeichnet, die in ihren Eigenschaften massiven Teilchen ähneln, da bei solchen Bewegungsparametern die kinetische Energie um ein Vielfaches höher ist als die Ruheenergie.
Da die meisten Teilchen der kosmischen Strahlung geladen sind, werden sie von einem Magnetfeld beeinflusst. Dies können sowohl großräumige galaktische als auch intergalaktische Felder sein, die die Verbreitung kosmischer Strahlung verursachen und die Bestimmung ihrer Quelle erschweren, sowie lokalere Felder, einschließlich der von der Sonne und der Erde erzeugten.
Wissenschaftler, die Daten des ISS-Instruments AMS verarbeiten, präsentierten die Ergebnisse der Analyse von Messungen von 2011 bis 2017 zum Thema Helium. Insgesamt wurden etwa 100 Millionen Helium-4-Kerne und etwa 18 Millionen Helium-3-Kerne aufgezeichnet. Diese Ergebnisse decken die doppelte Energiemenge ab, die bisher für diese Teilchen verfügbar war.
Verhältnis der Flüsse von Heliumisotopen als Funktion der kinetischen Energie pro Nukleon. Neue Daten werden mit roten Punkten angezeigt, rote gestrichelte Linie - theoretische Vorhersage.
Das häufigere Isotop Helium-4 wurde im frühen Universum während der Ära der primordialen Nukleosynthese in signifikanten Mengen gebildet und wird bis heute in stellaren Kernen erzeugt. Das seltenere Helium-3 entsteht meist durch Kernreaktionen im Weltraum, beispielsweise wenn hochenergetische Kerne von Helium-4 mit Teilchen des interstellaren Mediums kollidieren. Der Unterschied in den beobachteten Verteilungen der Parameter dieser Kerne ermöglicht es, die globalen Eigenschaften der Milchstraße und die Art der Ausbreitung der kosmischen Strahlung darin abzuschätzen.
Partikeluntersuchungen in AMS werden mit mehreren Detektoren durchgeführt. Für jedes Ereignis wird eine Spur in einem Silizium-Tracker untersucht, der es ermöglicht, den Impuls eines Teilchens basierend auf dem Grad seiner Ablenkung im Magnetfeld des Geräts zu berechnen. Dies erfordert jedoch Geschwindigkeitsinformationen, die bei niederenergetischen Teilchen mit einer Flugzeitkammer oder bei hohen Energien mit einem Ring Imaging CHerenkov-Zähler (RICH) gewonnen werden. Es misst auch die Ladungszahl, die das Helium von anderen Teilchen trennt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, kosmische Strahlenspektren zu konstruieren, von denen eine auf magnetischer Starrheit basiert. Dieser Wert ist im ultrarelativistischen Fall gleich dem Produkt aus Kreiselradius und Magnetfeld bzw. dem Verhältnis der Teilchenenergie zu seiner Ladung. Diese Eigenschaft ist praktisch, da Körper mit gleicher Steifigkeit in einem Magnetfeld unabhängig von Masse und Ladung die gleiche Dynamik aufweisen (z. B. entlang derselben Bahnen bewegen).
Es zeigte sich, dass bei Steifigkeiten unter 4 Gigavolt für beide Isotope eine deutliche Langzeitabhängigkeit von der Zeit besteht: Ab 2015 wurden weniger Teilchen mit solchen Parametern beobachtet. Gleichzeitig wurde dies bei Partikeln mit größerer Steifigkeit nicht beobachtet: Ihr Fluss war nicht zeitabhängig. Dies hängt mit den Zyklen der Sonnenaktivität zusammen und wird es ermöglichen, die Modelle der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der galaktischen kosmischen Strahlung zu verfeinern.
Im Gegensatz zu den Verhältnissen von Borkernen zu Sauerstoff und Bor zu Kohlenstoff, die Maximalwerte im Härtebereich von 4 Gigavolt annehmen, nahm das Verhältnis von Helium-3- zu Helium-4-Flüssen monoton ab und wurde oberhalb von 4 Gigavolt beschrieben mit hohe Genauigkeit durch ein Potenzgesetz mit einem einzigen Exponenten. Die Autoren stellen separat fest, dass sich zu ihrer Überraschung herausstellte, dass die Abhängigkeiten bei hoher Starrheit für Heliumisotope die gleichen waren wie für schwerere Kerne, die zuvor untersucht wurden.
Zeitgemittelte Abhängigkeit des Flussverhältnisses von Heliumisotopen von der magnetischen Steifigkeit. Im Bereich niedriger Steifigkeit wird eine Variabilität beobachtet, und oberhalb von 4 Gigavolt wird die Kurve durch eine einzelne Potenzgesetzfunktion gut beschrieben.
Früher wurde berichtet, dass Astrophysiker eine Inhomogenität in der Einfallsrichtung hochenergetischer kosmischer Strahlung fanden, Beobachtungen am empfindlichsten Detektor für kosmische Strahlung begannen und auch das helle Leuchten des Mondes im Gammabereich beobachteten, das durch die Aktion verursacht wurde von Teilchen aus dem fernen Raum.
