AMS results create cosmic ray puzzle

στις

SymmetryMagLogoBreaking News | April 15, 2015 | By Sarah Charley | Symmetry Magazine


Νέα δεδομένα από το πείραμα AMS-Alpha Magnetic Spectrometer διαφωνούν με τα σημερινά μοντέλα που περιγράφουν την προέλευση και την κίνηση των σωματιδίων υψηλής ενέργειας τα οποία ονομάζονται κοσμικές ακτίνες. Αυτές οι αποκλίσεις από τις προβλέψεις θα μπορούσαν να προκληθούν από τη σκοτεινή ύλη, μια μορφή της ύλης που ούτε εκπέμπει ούτε απορροφά το φως. Σύμφωνα όμως με τον Mike Capell, ανώτερο ερευνητή στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που εργάζεται στο πείραμα AMS, είναι ακόμη πολύ νωρίς για την εξαγωγή συμπερασμάτων.

Courtesy of NASA
Courtesy of NASA

«Είναι ένας πραγματικός γρίφος,« λέει ο Capell. »Δεν μπορούμε να πούμε ότι βλέπουμε την σκοτεινή ύλη, αλλά έχουμε αποτελέσματα που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την συμβατική γνώση, σχετικά την προέλευση των κοσμικών ακτίνων και την άφιξή τους εδώ. Το μόνο που μπορούμε να πούμε άμεσα, είναι ότι συστηματικά τα αποτελέσματά μας, προκαλούν σύγχυση.»

Το πείραμα AMS διενεργείται στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό και αποτελείται από αρκετά στρώματα ευαίσθητων ανιχνευτών τα οποία καταγράφουν τον τύπο, την ενέργεια, την ορμή και το φορτίο των κοσμικών ακτίνων. Ένας από τους επιστημονικούς στόχους του AMS είναι να ιχνηλατήσει την σκοτεινή ύλη. Πέραν της ασκούμενης, από αυτήν, βαρυτικής έλξης, προς τους διάσπαρτους, στο ορατό σύμπαν, γαλαξίες, η σκοτεινή ύλη είναι γενικότερα αόρατη. Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι η σκοτεινή ύλη ίσως είναι περίπου πέντε φορές πιο διαδεδομένη, από την υπάρχουσα, αλλά μέχρι στιγμής έχει παρατηρηθεί μόνο έμμεσα.

Εφόσον τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρούονται το ένα με το άλλο, θα μπορούσαν να παράγουν απογόνους, όπως πρωτόνια, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια, τα οποία θα συμπεριφέρονται όπως οι κοσμικές ακτίνες που ανιχνεύει συνήθως το AMS, αλλά θα εμφανίζονται σε υψηλότερες ενέργειες και με διαφορετική σχετική αφθονία από τις προβλέψεις του καθιερωμένου κοσμολογικά μοντέλου.

«Τα συμβατικά μοντέλα προβλέπουν, ότι σε υψηλότερες ενέργειες, το ποσό των κοσμι-κών ακτίνων αντιύλης θα μειώνεται ταχύτερα από ό, τι το ποσό της ύλης κοσμικές ακτίνες,» λέει ο Capell. «Αλλά επειδή η σκοτεινή ύλη είναι αντισωματίδιο του εαυτού της και όταν δύο σωματίδιά της συγκρούονται είναι εξίσου πιθανό να παράξουν σωματίδια ύλης ή αντιύλης, παρατηρούμε υπεροχή αντισωματίδιων.»

Αυτό το νέο αποτέλεσμα παραλληλίζει την αναλογία αντιπρωτονίων-πρωτονίων σε ένα ευρύ ενεργειακό φάσμα και φανερώνει ότι το ποσοστό δεν μειώνεται σε υψηλότερες ενέργειες, όπως αναμενόταν, αλλά παραμένει σχεδόν σταθερό. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν επίσης, ότι η αναλογία ορμής – φορτίου για πρωτόνια και πυρήνες ηλίου, είναι υψηλότερη από την προβλεπόμενη σε μεγαλύτερες ενέργειες.

«Αυτά τα νέα αποτελέσματα είναι πολύ συναρπαστικά», λέει ο θεωρητικός του CERN, John Ellis. »Είναι πολύ πιο ακριβή από ό, τι τα προηγούμενα δεδομένα και πρόκειται πραγματικά να μας δώσουν τη δυνατότητα να εντοπίσουμε τα μοντέλα παραγωγής αντιπρωτονίων και πρωτονίων στο σύμπαν.«

Courtesy of NASA
Courtesy of NASA

New results from the Alpha Magnetic Spectrometer experiment disagree with current models that describe the origin and movement of the high-energy particles called cosmic rays.

These deviations from the predictions might be caused by dark matter, a form of matter that neither emits nor absorbs light. But, according to Mike Capell, a senior researcher at the Massachusetts Institute of Technology working on the AMS experiment, it’s too soon to tell.

“It’s a real head scratcher,” Capell says. “We cannot say we are seeing dark matter, but we are seeing results that cannot be explained by the conventional wisdom about where cosmic rays come from and how they get here. All we can say right now is that our results are consistently confusing.”

The AMS experiment is located on the International Space Station and consists of several layers of sensitive detectors that record the type, energy, momentum and charge of cosmic rays. One of AMS’s scientific goals is to search for signs of dark matter.

Dark matter is almost completely invisible—except for the gravitational pull it exerts on galaxies scattered throughout the visible universe. Scientists suspect that dark matter is about five times as prevalent as regular matter, but so far have observed it only indirectly.

If dark matter particles collide with one another, they could produce offspring such as protons, electrons, antiprotons and positrons. These new particles would look and act like the cosmic rays that AMS usually detects, but they would appear at higher energies and with different relative abundances than the standard cosmological models forecast.

“The conventional models predict that at higher energies, the amount of antimatter cosmic rays will decrease faster than the amount of matter cosmic rays,” Capell says. “But because dark matter is its own antiparticle, when two dark matter particles collide, they are just as likely to produce matter particles as they are to produce antimatter particles, so we would see an excess of antiparticles.”

This new result compares the ratio of antiprotons to protons across a wide energy range and finds that this proportion does not drop down at higher energies as predicted, but stays almost constant. The scientists also found that the momentum-to-charge ratio for protons and helium nuclei is higher than predicted at greater energies. “These new results are very exciting,” says CERN theorist John Ellis. “They’re much more precise than previous data and they are really going to enable us to pin down our models of antiproton and proton production in the cosmos.”

In 2013 and 2014 AMS found a similar result for the proportion of positrons to electrons—with a steep climb in the relative abundance of positrons at about 8 billion electronvolts followed by the possible start of a slow decline around 275 billion electronvolts. Those results could be explained by pulsars spitting out more positrons than expected or accelerating supernovae remnants, Capell says.

“But antiprotons are so much heavier than positrons and electrons that they can’t be generated in pulsars,” he says. “Likewise, supernova remnants would not propagate antiprotons in the way we are observing.”

If this antimatter excess is the result of colliding dark matter particles, physicists should see a definitive bump in the relative abundance of antimatter particles with a particular energy followed by a decline back to the predicted value. Thus far, AMS has not collected enough data to see this full picture.

“This is an important new piece of the puzzle,” Capell says. “It’s like looking at the world with a really good new microscope—if you take a careful look, you might find all sort of things that you don’t expect.” Theorists are now left with the task of developing better models that can explain AMS’s unexpected results. “I think AMS’s data is taking the whole analysis of cosmic rays in this energy range to a whole new level,” Ellis says. “It’s revolutionizing the field.”


Please, visit Symmetry’s webpage to meet the original article, more information & related articles


Advertisements

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s