AMS-02 observe un flux primaire de deutons dans les rayons cosmiques

Les surprises des rayons cosmiques sont leur pain quotidien. Le spectromètre magnétique Alpha, AMS-02 (Spectromètre magnétique alpha) à bord de l’ISS (Station spatiale internationale) a publié plusieurs des plus de 238 milliards de rayons cosmiques qu’il a observés depuis 2011. Il publie désormais dans Lettres d’examen physique un excès de deutons (noyaux de deutérium formés par un proton lié à un neutron). 21 millions de deutons cosmiques (D) avec une rigidité (rapport entre impulsion linéaire et charge) comprise entre 1,9 et 21 GV (gigavolts) ont été détectés entre mai 2011 et avril 2021. Le rapport entre le flux de deutons et celui des particules alpha (hélium-4 noyaux) pour des rigidités supérieures à 4,5 GV suit une loi de puissance d’exposant Δ(D/⁴He) = −0,108 ± 0,005 ; mais ledit quotient entre l’hélium-3 et l’hélium-4 a pour exposant Δ(³He/⁴He) = −0,289 ± 0,003. Ce résultat est surprenant car on s’attendait à ce que cet exposant coïncide, puisque les deutons et l’hélium-3 étaient supposés être des rayons cosmiques secondaires avec une origine commune étant les collisions des rayons cosmiques primaires de l’hélium-4 contre des noyaux dans le milieu interstellaire. . De plus, pour des rigidités supérieures à ≈ 13 GV le rapport entre les flux de deutons et de protons est constant et égal à 0,027 ± 0,001. A titre d’explication, il est proposé que le flux de deutons ait deux composantes, un flux primaire de 9,4 ± 0,5 % du flux d’hélium-4 et un flux secondaire de 58 ± 5 % du flux d’hélium-3. Les modèles de production de rayons cosmiques devront être modifiés pour expliquer ce flux primaire inattendu de deutons pour les grandes raideurs.

La signification statistique de ces résultats avec AMS-02 sera améliorée suite à sa prochaine mise à niveau vers AMS-02.2, qui augmentera son taux d’acceptation des rayons cosmiques de 300 %. Grâce à cela, les modèles de production des rayons cosmiques primaires et secondaires pourront être affinés. L’article est AMS Collaboration, « Propriétés des deutons cosmiques mesurées par le spectromètre magnétique Alpha », Phys Rev. Lett. 132 : 261001 (25 juin 2024), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.261001; Informations plus informatives dans Charles Day, « A Puzzling Excess of Cosmic Deuterons », Physics 17 : s74 (25 juin 2024) [APS web]; Ana Lopes, « Le nombre de rayons cosmiques dépasse les attentes. Le détecteur AMS à bord de la Station spatiale internationale a détecté plus de rayons cosmiques constitués de deutérons que prévu », News, CERN, 13 août 2024; Mercedes Paniccia, « Faits marquants du spectromètre magnétique Alpha de la Station spatiale internationale », EP Newsletter, CERN, 19 juin 2024.

L’héliosphère solaire, un type de bulle magnétique qui entoure le système solaire, module le flux de rayons cosmiques de faible rigidité qui atteignent la Terre. AMS-02 a mesuré le flux quotidien d’électrons et de positrons entre 2011 et 2021, observant comment il est affecté par le champ magnétique du Soleil au cours d’un cycle solaire de 11 ans. Il a été publié dans Lettres d’examen physique l’année dernière pour des raideurs comprises entre 1,00 et 41,9 GV, pour un flux de 3,4 millions de positrons. La figure (en haut à gauche) montre les flux électroniques quotidiens observés par AMS-02 pour quatre intervalles de rigidité compris entre 1,00 et 11,0 GV mesurés de mai 2011 à novembre 2021, qui suivent une dynamique couplée à celle du cycle solaire. Pour les faibles rigidités comprises entre 1,00 et 1,71 GV, on observe une hystérésis entre le flux d’électrons et de protons (en haut à droite), similaire à celle observée entre le flux d’électrons et de positrons (en bas à gauche), le flux de positrons et de protons suivant un variation temporelle très similaire (en bas à gauche). L’hystérésis entre les flux d’électrons et de positons a une signification statistique supérieure à 5⁢ sigma pour des rigidités inférieures à 8,5 GV. Ces résultats permettent de comprendre comment l’héliosphère et le cycle solaire affectent les rayons cosmiques observés par AMS-02. Plus de détails dans l’article de la collaboration AMS, « Structures temporelles dans les spectres de positons et effets de signe de charge dans les rayons cosmiques galactiques », Phys Rev. Lett. 131 : 151002 (12 octobre 2023), est ce que je : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.151002.