Utilizzando le osservazioni del UVA-3 rilevatore di muoni, fisici in India e Giappone hanno esplorato una regione poco conosciuta dello spettro energetico dei raggi cosmici con un dettaglio senza precedenti. Fahim Varsi al Istituto indiano di tecnologia Kanpur e colleghi hanno identificato una caratteristica mai vista prima sotto forma di una piega nello spettro. Le osservazioni suggeriscono la necessità di ripensare le origini dei raggi cosmici.
Composti principalmente da protoni e nuclei di elio, i raggi cosmici sono particelle altamente energetiche che bombardano costantemente l'atmosfera terrestre. Interagendo con l’atmosfera, i raggi cosmici producono sciami di particelle secondarie, inclusi elettroni, fotoni e muoni, che piovono sulla Terra.
I raggi cosmici furono identificati per la prima volta nel 1912, grazie alle osservazioni di Victor Hess, vincitore del premio Nobel. Eppure, anche più di un secolo dopo la loro scoperta iniziale, abbiamo ancora molto da imparare sulla natura di queste particelle. Sebbene gli astronomi credano che i raggi cosmici provengano da una serie di fonti diverse tra cui stelle, supernove e nuclei galattici attivi, le loro origini non sono completamente comprese perché le particelle vengono deviate dai campi magnetici mentre viaggiano per grandi distanze verso la Terra.
Sono necessarie misurazioni precise
"I raggi cosmici sono noti per essere le particelle più energetiche dell'universo", afferma un membro del team Pravata Mohanty presso il Tata Institute for Fundamental Research di Mumbai. “La misurazione precisa della forma dello spettro energetico elementare nei raggi cosmici è necessaria per far avanzare la nostra comprensione delle loro origini, accelerazione e propagazione”.
Una lacuna particolarmente evidente nella comprensione si trova nel mezzo dello spettro dei raggi cosmici a energie nell’intervallo 100 TeV–1 PeV. In questa finestra, le particelle sono troppo energetiche per essere captate direttamente dai rilevatori spaziali, ma non abbastanza energetiche perché un gran numero di particelle dello sciame raggiungano i rilevatori sulla Terra.
Per esplorare questo intervallo di energia in modo più dettagliato, il team di Varsi ha esaminato le osservazioni dell'esperimento GRAPES-3. Si tratta di un osservatorio di muoni situato nel sud dell'India che comprende una serie di rilevatori scintillanti. La struttura si trova a 2200 m sopra il livello del mare, il che rende più facile rilevare i muoni prima che interagiscano con l'atmosfera.
“GRAPES-3 contiene un rilevatore di ampia area, che ci consente di misurare la composizione elementare dei raggi cosmici attraverso la componente muonica negli sciami di raggi cosmici”, spiega Mohanty. “Con un’area di rilevamento diverse migliaia di volte più grande rispetto ai rilevatori spaziali, GRAPES-3 garantisce una precisione statistica eccezionalmente elevata nelle misurazioni”.
Studio quadriennale
I ricercatori hanno valutato circa 8 milioni di eventi di pioggia osservati in un periodo di 460 giorni nel 2014 e nel 2015. A causa della complessità delle loro tecniche analitiche e di correzione degli errori, l’analisi ha richiesto quattro anni per essere completata. Il team afferma che i risultati forniscono la prima visione dettagliata della finestra di media energia.
"Lo studio ha misurato lo spettro dei protoni nei raggi cosmici da 50 TeV a 1.3 PeV, collegando in modo efficace le osservazioni provenienti sia dalle misurazioni spaziali che da quelle terrestri", spiega Mohanty.
Tra le caratteristiche più sorprendenti individuate dal team di Varsi c'era un'anomalia nello spettro energetico a circa 166 TeV, con più protoni cosmici del previsto rilevati a energie leggermente più elevate. In precedenza, esperimenti a terra avevano rilevato un’inclinazione simile a circa 3 PeV, che si pensava fosse l’energia massima per i raggi cosmici provenienti dalle galassie.
Fino a questo punto i ricercatori avevano generalmente ipotizzato che lo spettro energetico dei protoni nella regione osservata potesse essere descritto da una semplice legge di potenza. Tuttavia, la scoperta del team sembra mandare in frantumi questa ipotesi.
"Ciò suggerisce la possibilità che una classe di sorgenti, comunemente ritenute resti di supernova, possa effettivamente accelerare i raggi cosmici fino al punto osservato, mentre un'altra classe diventa predominante oltre il punto", spiega Mohanty.
Basandosi su questi risultati, il team di Varsi spera che presto possano emergere nuovi modelli per tenere conto di questi effetti. Se raggiunti, potrebbero aiutare a rafforzare la nostra comprensione di come i raggi cosmici emergono, accelerano e si propagano attraverso le distanze intergalattiche.
La ricerca è descritta in Physical Review Letters.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/kink-in-cosmic-ray-spectrum-puzzles-astrophysicists/
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