El exceso de positrones observado por AMS-02 hasta 1 TeV

El exceso de positrones de alta energía en los rayos cósmicos ha sido observado por muchos instrumentos. El más preciso es el experimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) instalado en la ISS (International Space Station). Se publica en Physical Review Letters su espectro entre 0.5 GeV y 1 TeV gracias a 1.9 millones de positrones observados durante 6.5 años. El exceso se observa por encima de 25.2 ± 1.8 GeV y muestra una caída brusca a partir de 284+91−64 GeV. Este espectro se puede interpretar como la suma de dos contribuciones diferentes: una difusa a baja energía y una fuente desconocida a alta energía. Esta última podría ser resultado de la aniquilación de la materia oscura, pero también podría tener un origen astrofísico más prosaico (por ejemplo, objetos astrofísicos que aceleran los positrones hasta energías altas o la producción de positrones en la interacción de núcleos de los rayos cósmicos con el gas interestelar).

El misterio del exceso de positrones nos acompañará durante gran parte de la década de los 2020. Pero los datos de AMS-02 son muy valiosos para desvelar su origen. El artículo es AMS Collaboration, “Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray Positrons,” Phys. Rev. Lett. 122: 041102 (29 Jan 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.041102. Más información sobre AMS-02 en este blog. Los interesados en conocer más información sobre posibles fuentes astrofísicas del exceso () pueden consultar Pasquale D. Serpico, “Astrophysical models for the origin of the positron “excess”,” Astroparticle Physics 39-40: 2-11 (2012), doi: 10.1016/j.astropartphys.2011.08.007arXiv:1108.4827 [astro-ph.HE].

El exceso de positrones, respecto a lo esperado en función de los electrones, ha sido observado por muchos detectores de rayos cósmicos (como Fermi-LAT y PAMELA). Pero los datos que alcanzan mayor energía son los de AMS-02 que ha observado más de 0.1 billones de rayos cósmicos en los últimos 6.5 años (entre el 19 de mayo de 2011 y el 12 de noviembre de 2017). Se confirma a cuatro sigmas que el espectro cae a partir de unos 290 GeV, algo que no estaba claro con medidas anteriores. Por tanto, hay una fuente del exceso que deberá ser desvelada.

El espectro de positrones muestra tres regiones bien definidas (bandas de color en la figura). La primera es una región aplanada entre 7.10 y 27.25 GeV (banda verde vertical). La segunda es una región de crecimiento entre 27.25 y 290 GeV (banda naranja vertical), con un máximo en ∼290 GeV. Y la tercera es una caída (banda azul vertical). Para entender el espectro de rayos cósmicos se suelen ajustar los datos mediante leyes de potencia para cada una de estas regiones.

La ley de potencia tiene un exponente llamado índice espectral que se calcula como γ = d(log(Φ))/d(log(E)), donde Φ(E) es el flujo en función de la energía. El índice cae de forma rápida hasta ∼7 GeV; entre 7.10 y 27.25 GeV mantiene un valor casi constante, γ = −2.99 ± 0.01. Luego crece con un valor medio de γ = −2.72 ± 0.04 entre 55.58 y 148.81 GeV. Para, finalmente, por encima de 148.81 GeV volver a decrecer hasta alcanzar un valor de γ = −3.35 ± 0.32 en el intervalo de energía entre 290 y 1000 GeV.

Se observan tres leyes de potencia bien diferenciadas. Se interpreta el resultado como resultado de dos fuentes bien diferenciadas (como se ilustra en la figura que abre esta entrada). Para baja energía se observa una fuente difusa de positrones con un pico sobre 25 GeV. Para alta energía se observa una segunda fuente asimétrica cuyo flujo cae por encima de 290 GeV indicando la presencia de una energía de corte. Para resolver el misterio del exceso de positrones habrá que comparar entre sí diferentes alternativas teóricas para explicar esta segunda fuente. Pero no creo que la respuesta se obtenga pronto, ya que el espectro se puede ajustar por muchos modelos teóricos diversos y diferenciar entre ellos requiere observaciones específicas independientes con nuevos instrumentos.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 7 febrero, 2019
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