AMS desvela 'nuevos territorios' en el flujo de rayos cósmicos

La colaboración científica internacional del Espectrómetro Magnético Alpha (AMS, por sus siglas en inglés) presentó sus últimos resultados en un seminario en el CERN, basados en el análisis de miles de millones de partículas detectadas con el detector AMS, ubicado en la Estación Espacial Internacional. Estos resultados ofrecen nuevas pistas de la naturaleza del misterioso exceso de positrones observado en el flujo de rayos cósmicos. Los hallazgos se publican en Physical Review Letters. En el experimento participan 56 instituciones científicas de 16 países, entre ellos España a través del CIEMAT y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).
Los rayos cósmicos son partículas presentes de forma habitual en el Universo, compuestos principalmente por protones y electrones aunque hay otros muchos tipos de partículas viajando a través del espacio, incluyendo los positrones. Los positrones son la contraparte de antimateria de los electrones, con la misma masa pero carga opuesta. La presencia de algunos de estos positrones en el espacio puede explicarse a partir de las colisiones de rayos cósmicos, pero este fenómeno produciría solo una pequeña porción de antimateria en el espectro total de rayos cósmicos. Puesto que la antimateria es extremadamente escasa en el Universo, cualquier exceso significativo de partículas de antimateria registrado en el flujo de rayos cósmicos energéticos indica la existencia de una nueva fuente de positrones. Estrellas muy densas como los púlsares son candidatas potenciales.
El experimento AMS es capaz de realizar un mapa del flujo de rayos cósmicos con una precisión sin precedentes. En los resultados publicados, la colaboración presenta nuevos datos a energías nunca antes registradas. La colaboración AMS ha analizado 41.000 millones de eventos de rayos cósmicos primarios, entre los cuales 10 millones fueron identificados como electrones y positrones. La distribución de estos eventos en el rango de energías de 0,5 a 500 GeV muestra un incremento bien medido de positrones a partir de los 8 GeV, sin ninguna dirección preferente de llegada en el espacio. La energía a partir de la cual la fracción de positrones deja de crecer se ha medido en 275±32 GeV.
"Esta es la primera observación experimental de la fracción de positrones máxima después de medio siglo de experimentos de rayos cósmicos", dijo el portavoz de AMS Samuel Ting. "El equipo de AMS sigue realizando las medidas para determinar la tasa de disminución a partir de la cual la fracción de positrones cae más allá de un punto de inflexión o de no retorno".

¿Huellas de materia oscura?

Esta tasa de disminución tras la 'energía de corte' es muy importante para los físicos, puesto que podría ser un indicador de que el exceso de positrones es la huella de partículas de materia oscura aniquilándose en pares de electrones y positrones. Aunque las actuales medidas podrían explicarse mediante objetos como los púlsares, también son compatibles con partículas de materia oscura con una masa del orden de 1 TeV. Diferentes modelos sobre la naturaleza de la materia oscura predicen comportamientos diferentes del exceso de positrones por encima de la fracción esperada a partir de las colisiones de rayos cósmicos ordinarios. Por tanto, resultados a mayores energías serán de crucial importancia en el futuro próximo para evaluar si se trata de una señal de materia oscura o procede de una fuente cósmica.
"Con AMS y el LHC a punto de arrancar próximamente a energías nunca antes alcanzados, vivimos tiempos muy emocionantes para la física de partículas a medida que ambos instrumentos avanzas en las fronteras de la física", dijo el director general del CERN, Rolf Heuer.
AMS también informó de una nueva observación referente a que tanto el flujo de electrones como el de positrones cambian su comportamiento alrededor de los 30 GeV, siendo los flujos significativamente distintos en su magnitud y dependencia energética. En concreto, entre 20 y 200 GeV la tasa de cambio del flujo de positrones es sorprendentemente más alta que la de los electrones. Esto es una prueba importante de que el exceso visto en la fracción de positrones se debe a un exceso relativo de positrones de alta energía, y no la pérdida de electrones de alta energía. Este nuevo resultado es muy importante para entender mejor el origen de los rayos cósmicos de electrones y positrones, y puede ser el signo de un fenómeno desconocido.
En su seminario, el profesor Samuel Ting ha presentado otros nuevos resultados interesantes que se publicarán en el futuro próximo, que muestran que, a altas energías y en un rango amplio de energías, el flujo combinado de electrones más positrones puede describirse por un único índice espectral constante, sin la existencia de estructura como se sospechaba por medidas previas de otros experimentos.

España en AMS

España ha participado de forma decisiva en la construcción de uno de los detectores del experimento AMS. Este detector, denominado RICH (Ring Imaging Cherenkov), aporta parte de la información fundamental (velocidad y carga eléctrica) de las partículas cósmicas que detecta AMS. En las instalaciones del CIEMAT se ha integrado este detector que incluye un radiador dual, un reflector cónico, una matriz de 680 fotomultiplicadores (10.880 fotosensores) y toda la electrónica de adquisición de datos. El CIEMAT ha sido también el instituto responsable de la caracterización de componentes y de las pruebas de validación del detector con rayos cósmicos y haces de partículas. En el IAC y el CIEMAT se han fabricado la mecánica de las cajas que albergan parte de la electrónica (alto voltaje) del RICH y del calorímetro ECAL (Electromagnetic Calorimeter).