positrones en abundancia.

La antimateria es rara en el universo actual. Por lo que sabemos, todo vestigio de la antimateria producida en el Big Bang desapareció hace mucho tiempo en las reacciones de aniquilación con las partículas de materia.. Lo que esto significa es que cualquier partícula de antimateria que podamos detectar en el flujo de rayos cósmicos energéticos cercanos a la Tierra debe de haber sido creada por "nuevas" fuentes dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. (Partículas de antimateria desde fuentes extragalácticas también son concebibles, pero son extremadamente poco probable que lleguen a la Tierra antes de perder toda su energía o aniquilarse.) Por lo que hay una cantidad limitada de antimateria energética en el espacio cercano a la Tierra, las antipartículas sirven como única mensajeras de fenómenos de alta energía en el cosmos, o como firmas de nueva física exótica. Ahora, un estudio muy esperado sobre los rayos cósmicos de positrones, la antipartícula del electrón fue publicado en la revista Physical Review Letters por la colaboración que trabaja en el Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), un detector de partículas experimental a bordo de la Estación Espacial Internacional, que orbita la Tierra [ver aquí]. En el primer informe científico del AMS, un experimento que inició la toma de datos en mayo de 2011 la colaboración presentó una medición de la "fracción de positrones," la relación entre el número de positrones al número total de electrones más positrones, a energías que van desde 0 . 5 a 350 giga-electron-volts (GeV ) (ver Fig. 2).. Los 400.000 positrones que han medido constituyen el mayor conjunto de datos de positrones de rayos cósmicos, aumentando la muestra total mundial por cien.. Además, el rango de la fracción de los positrones reportados se extiende a unos pocos cientos de GeV, más allá del alcance de los experimentos anteriores volando en globos de gran altitud [ ver aquí ,aquí y aquí] o a bordo de los tranbordadores y satélites [ ver aquí, aquí y aquí] Las características de la distribución de positrones del AMS son una prueba contundente, con detallada estadística sin precedentes de lo que se había reportado anteriormente por los experimentos de satélites: un exceso de positrones sobre lo que se esperaba de los fenómenos energéticos galácticos conocidos. Hay una promocionada y tentadora posibilidad-de que este exceso podría ser una firma de la materia oscura, aunque es demasiado pronto para descartar explicaciones más prosaicas. La antimateria surge como un subproducto de los núcleos de los rayos cósmicos ordinarios interactuando con el gas interestelar diluido. Por ejemplo, cuando un energético protón de rayo cósmico es producido por el remanente de una supernova choca con el núcleo de un átomo de hidrógeno en el medio interestelar, la interacción puede producir piones. Estas partículas se desintegran en muones y, en última instancia, en electrones y positrones en igual número. Por lo tanto los electrones y positrones energéticos que llegan a la Tierra consistirían en una mezcla de "primarios" electrones cargados negativamente, desde las mismas fuentes astrofísicas que producen los núcleos de rayos cósmicos y positrones adicionales "secundarios" junto con electrones de la interacción de los rayos cósmicos (ver fig. 1). En base a los modelos de interacciones de las partículas y los procesos de transporte en la Galaxia [ ver aquí, aquí y aquí ], los astrofísicos de partículas predicen una fracción de positrones (en la Tierra) que disminuye, monótonamente, a energías mayores que 1 GeV (Ver la banda gris en la fig. 2).
fig 1, el flujo de partículas de alta energía cerca de la Tierra(radiación cósmica)puede venir desde varias fuentes.Partículas "Primarias" (en verde) provienen desde la fuente original de radiación cósmica(típicamente el remanente de una supernova).Partículas "Secundarias" (en amarillo) provienen de la colisión de las particulas primarias con el gas interestelar produciendo piones y muones los cuales decaen en electrones y positrones.Una interesante tercera posibilidad es que los electrones y positrones (en púrpura) sean creados por la aniquilación de partículas de materia oscura en el halo y dentro de la Vía Láctea.Crédito.GALEX, JPL-Caltech, NASA; Drawing: APS/Alan Stonebraker.



fig 2,la imágen muestra la fracción de positrones en rayos cósmicos de alta energía.Las nuevas mediciones del AMS se extienden sobre un amplio rango de energía y tienen mucho menos incertidumbre que las anteriores mediciones hecha por los satélites PAMELA y Fermi-Lat u otros experimentos con globos .Las mediciones del AMS confirman un exceso en la fracción de positrones de alta enegía sobre lo que es esperado de positrones producidos en interacciones de la radiación cósmica(la banda gris en la imágen señala el rango esperado en la fracción de positrones basada en cálculos).Crédito.M. Aguilar.


Hace unos 20 años, este cuadro fue motivado en gran parte por los espectrómetros de vuelo en misiones de globos de gran altitud (por ejemplo los experimentos, HEAT, TS93 y CAPRICE ) Pero también hubo indicios de un cambio de comportamiento en las energías más allá de unos 10 GeV , Donde una fracción de positrones más grande de lo esperado, parecía indicar la posibilidad de una fuente adicional, desconocida de antimateria. Más tarde, los instrumentos-llevados al espacio como el AMS-01 (un prototipo del AMS),el PAMELA y el Fermi-LAT-fueron capaces de medir este aumento de la fracción de positrones sustancialmente con mejores estadísticas y en una gama más amplia de energía . No ha habido escasez de especulaciones sobre lo que podría producir el exceso de positrones por encima de 10 GeV . Una idea es que cuerpos cósmicos relativamente cercanos, como los púlsares, actúan como aceleradores y colisionadores que producen antimateria [ ver aquí ], al igual que nuestro terrestre Gran Colisionador de Hadrones. Pero la posibilidad más interesante es que los positrones procedan de la aniquilación de partículas de materia oscura, llenando la Vía Láctea y su halo[ ver aquí ]. La materia oscura es, después de todo, una forma dominante de la materia-energía del Universo, pero no sabemos su naturaleza corpuscular o cómo interactúa consigo misma y con la materia normal (que no sea a través de las interacciones gravitatorias). No es una exageración decir que la identificación de la materia oscura es uno de los mayores problemas de la ciencia moderna. Esta es la razón del porqué? la comunidad astrofísica de partículas ha estado esperando con impaciencia la confirmación de la característica fracción de positrones vistos por PAMELA y Fermi-LAT. El AMS es el más complejo experimento de física de partículas en el espacio. El incluye una batería de detectores que pueden identificar la masa, carga, y la energía de las partículas y antipartículas con alta precisión, en particular, mediante el seguimiento de la desviación de las partículas a través de un imán permanente situado en el centro del instrumento. Esta última es una capacidad que el Fermi-LAT no tiene, y es una de las razones por la qué había tan grandes incertidumbres en su espectro de positrones. Y todos estos experimentos de detección se enfrentan al reto de identificar con precisión los positrones a energías altas, donde el fondo es abundante. Un positrón-100 GeV se asemeja a un protón de 100 GeV en muchos aspectos, pero los protones superan en número a los positrones por unos tres órdenes de magnitud-un problema que se agrava con la energía. Los nuevos resultados del AMS coinciden perfectamente con lo que observó PAMELA, lo que refuerza la tendencia de que la fracción de positrones aumenta con la energía, pero esta vez, con estadísticas sin precedente y controles del fondo. Aunque existe una aparente discrepancia entre Pamela y los nuevos datos del AMS por debajo de alrededor 2 GeV , ello no es una preocupación: las partículas cósmicas tienen que nadar contra la corriente en contra del viento solar para llegar a la Tierra y los efectos de esta "modulación solar" en las poblaciones de partículas pueden ser diferentes para los dos instrumentos. Tales efectos deberían ser insignificante más allá de algunos GeV . . Con tantos experimentos que apunta a un exceso de antimateria, ahora estamos en condiciones de hacer la siguiente pregunta: ¿De dónde viene? Esto puede tomar un tiempo para resolverse. Hay muchos escenarios teóricos, todos con bastantes incertidumbres que parecen infinitamente adaptable a cada capricho, problema o indicios de estructura en el espectro de positrones. Uno puede invocar rayos gamma energéticos que se convierten en pares electrón-positrón en la proximidad de los polos magnéticos de los púlsares [ ver aquí ]. Uno puede imaginar que los positrones se producen en la desintegración de los radioisótopos en un acelerador cósmico, como por ejemplo un remanente de supernova [ ver aquí ]. Y existe la posibilidad emocionante de que todos estos experimentos han visto la señal de "pistola humeante" de partículas de materia oscura aniquilandose en el halo galáctico [ver aqui ]. Existen importantes incertidumbres de modelado en todos estos escenarios, pero las ideas son atractivas y permanecen animadas para la especulación.Aunque la colaboración AMS no especula en su primer informe. Sin duda muchas ideas serán generadas junto con intentos para adaptar la fracción de positrones del AMS a modelos favorecidos, mientras se acomodan las limitaciones que vienen de otros experimentos [ ver aquí, aquí , aquí ]. Pero tal vez una respuesta definitiva vendrá en breve. Por un lado, los nuevos datos del AMS tienen una sensibilidad sin precedentes a la curvatura y características en el espectro de positrones. Ya podemos ver un cambio significativo de la pendiente en la fracción de positrones cerca de 100 GeV que tendrá que ser explicada. El AMS está a sólo dos años de su vida útil prevista de diez años (o más). Hay predicciones de que las barras de error en los datos disminuirán aún más. También debe haber mediciones de la fracción de positrones del espectro hasta energías más altas, y una medición separada de los espectros de energía absoluta de positrones y electrones. Pero tendremos que ser pacientes: los flujos de partículas disminuyen rápidamente con la energía, por lo que la acumulación de datos precisos sobre 200 GeV será un asunto muy lento. Mientras tanto, habrá una gran cantidad de otros datos que provienen del AMS. El experimento está en una excelente posición para identificar los antiprotones, los núcleos de los rayos cósmicos, y más especulativamente, para buscar antinúcleos.






articulo del físico Stephane Coutu para physics.aps.






fuente de la información:






http://physics.aps.org/articles/v6/40