Група CALET опублікувала дані трирічних вимірювань спектра космічних протонів з енергіями від 50 гігаелектронвольт до 10 тисяч тераелектронвольт. Цей рекордно широкий діапазон об'єднує діапазони магнітних спектрометрів і менш досконалих калориметрів, що дозволяє об'єднати і незалежно перевірити дані попередніх експериментів. Можливо, в майбутньому ці дані допоможуть вченим пояснити спостережуваний злам у сумарному спектрі всіх космічних частинок. Стаття опублікована в і знаходиться у відкритому доступі.
Наша Земля постійно перебуває під обстрілом космічних променів - електронів, позитронів, протонів, дейтронів, ядер гелію і більш важких частинок, що прилітають з космосу. Енергія таких частинок охоплює надзвичайно широкий діапазон від десятих часток до 1011 гігаелектронвольт. Сумарне число частинок усіх сортів зменшується при зростанні енергії за степеним законом: аж до енергій близько мільйона гігаелектронвольт потік частинок назад пропорційний енергії в ступені 2,75, при більших енергіях спостерігається ще більш різке падіння. Якщо віднормувати спектр частинок на цей ступеневий закон і побудувати його графік, то в області мільйона гігаелектронвольт буде спостерігатися різкий злам - так зване «коліно». В даний час фізики не знають, чому спектр космічних променів виглядає саме таким чином, хоча і висувають величезне число гіпотез.
Зокрема, одна з гіпотез пояснює «коліно» гіпотетичним обрізанням спектрів окремих частинок, положення якого може залежати від їх сорту. У принципі, цю гіпотезу можна перевірити за допомогою космічних детекторів, що безпосередньо реєструють енергію, заряд і напрямок руху частинок. В даний час фізикам відомо дві конструкції таких детекторів. З одного боку, на низьких енергіях більш зручно використовувати магнітний спектрометр - прилад, який визначає енергію частинок за допомогою магнітного поля. З іншого боку, на високих енергіях більш зручний іонізаційний калориметр - установка, яка відновлює енергію частинок за народженими нею вторинними частинками. На жаль, «зшита» таким чином картинка може бути спотворена неконтрольованими систематичними похибками, що по-різному проявляються в різних частинах спектру. Щоб виключити таку можливість, дані детекторів необхідно перевіряти.
Телескоп CALET (CALorimetric Electron Telescope), що працює на Міжнародній космічній станції з серпня 2015 року, будувався саме для цієї мети. CALET складається з зарядового детектора, що формує зображення калоріметра і поглинального калоріметра. Сумарна товщина калориметрів сягає тридцяти довжин випромінювання (radiation length). Завдяки конструктивним особливостям детектора він реєструє протони з енергіями від 50 до 10 тисяч гігаелектронвольт, що покриває діапазони як магнітних спектрометрів (BESS-TEV, PAMELA і AMS-02), так і менш досконалих калориметрів (ATIC, CREAM і NUCLEON). При цьому відносна систематична похибка CALET не перевищує десяти відсотків, що можна порівняти з іншими експериментами.
Тепер група CALET нарешті проаналізувала дані, зібрані телескопом з 13 жовтня 2015 по 31 серпня 2018 року. За цей проміжок часу високоенергетичний тригер у сумі пропрацював близько 21422 годин, а низькоенергетичний - близько 365 годин. Щоб відновити параметри протонів, що потрапили в детектор, вчені чисельно моделювали їх розпади за допомогою пакетів EPICS, FLUCA і GEANT4, заснованих на методі Монте-Карло.
У результаті вчені побудували спектр космічних протонів, який збігався з даними інших експериментів у всіх діапазонах енергій. За оцінками науковців, цей спектр можна наблизити ступеневою залежністю, показник якої дорівнює 1-1- 2,81'0,03 в діапазоні 50-500 гігаелектронвольт і 2- 2,56- 0,04 в діапазоні 1-10 тераелектронвольт. Іншими словами, при великих енергіях спектр «посилюється».
Таким чином, вчені підсумовують, що зі статистичною значимістю близько трьох сигма спектр космічних протонів не можна описати єдиною ступеневою залежністю. Це збігається з даними попередніх експериментів. На жаль, без даних про спектр інших космічних частинок - наприклад, ядер гелію, - ці дані не дозволяють перевірити гіпотезу про природу «коліна». Тим не менш, автори статті вважають, що в майбутньому, коли CALET також виміряти спектр альфа-частинок та інших ядер, інформація про «посилення» протонного спектру допоможе прояснити це питання.
Космічні промені - це джерело частинок найвищих енергій, з якими коли-небудь могло працювати людство, а тому їх вивчення відіграє важливу роль у сучасній фізиці. Втім, скільки-небудь значущу статистику високоенергетичних частинок вчені почали набирати тільки недавно. Наприклад, у квітні 2015 року детектор AMS опублікував результати чотирирічної роботи, під час якої він зловив близько 60 мільярдів частинок і виявив нез'ясовний надлишок антипротонів. У листопаді 2011 китайський супутник DAMPE вперше виміряв спектр космічних електронів і позитронів з енергіями до 4,6 тераелектронвольт і підтвердив «провал» в області 0,9 тераелектронвольт, на який побічно вказували дані інших експериментів. Два роки потому AMS також підтвердив це спостереження. Більш детально про роботу таких детекторів, зокрема, супутника DAMPE, розповідає матеріал «Злами і сплески далекого космосу». Крім того, про дослідження космічних променів можна прочитати в статтях «Космічні промені» і «Що ми знаємо про космічні промені».