Los sorpresas en los rayos cósmicos son el pan de cada día. El Espectrómetro Magnético Alfa, AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) a bordo de la ISS (International Space Station) ha publicado varias entre los más de 238 mil millones de rayos cósmicos que ha observado desde 2011. Ahora publica en Physical Review Letters un exceso de deuterones (núcleos de deuterio formados por un protón ligado a un neutrón). Se han detectado 21 millones de deuterones (D) cósmicos con una rigidez (cociente entre el momento lineal y la carga) entre 1.9 y 21 GV (gigavoltios) entre mayo de 2011 y abril de 2021. El cociente entre el flujo de deuterones y partículas alfa (núcleos de helio-4) para rigideces mayores de 4.5 GV sigue una ley de potencia con exponente Δ(D/⁴He) = −0.108 ± 0.005; pero dicho cociente entre los helio-3 y helio-4 tiene como exponente Δ(³He/⁴He) = −0.289 ± 0.003. Este resultado es sorprendente porque se esperaba que dicho exponente coincidiera, ya que tanto deuterones como helio-3 se suponía que eran rayos cósmicos secundarios con un origen común son las colisiones de los rayos cósmicos primarios de helio-4 contra núcleos en el medio interestelar. Además, para rigideces por encima de ≈ 13  GV el cociente entre los flujos de deuterones y protones es constante e igual a 0.027 ± 0.001. Como explicación se propone que el flujo de deuterones tiene dos componentes, un flujo primario del 9.4 ± 0.5 % del flujo de helio-4 y un flujo secundario del 58 ± 5 % del flujo de helio-3. Los modelos de producción de rayos cósmicos tendrán que ser modificados para explicar este inesperado flujo primario de deuterones para grandes rigideces.

La significación estadística de estos resultados con AMS-02, será mejorada tras su próxima actualización a AMS-02.2, que aumentará su tasa de aceptación de rayos cósmicos en un 300 %. Gracias a ello se podrán afinar los modelos de producción de rayos cósmicos primarios y secundarios. El artículo es AMS Collaboration, «Properties of Cosmic Deuterons Measured by the Alpha Magnetic Spectrometer,» Phys. Rev. Lett. 132: 261001 (25 Jun 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.261001; más información divulgativa en Charles Day, «A Puzzling Excess of Cosmic Deuterons,» Physics 17: s74 (25 Jun2024) [APS web]; Ana Lopes, «Cosmic count exceeds expectation. The AMS detector on board the International Space Station has found more cosmic rays made of deuterons than expected,» News, CERN, 13 Aug 2024; Mercedes Paniccia, «Highlights from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station,» EP Newsletter, CERN, 19 Jun 2024.

La heliosfera solar, una especie de burbuja magnética que rodea al Sistema Solar, modula el flujo de rayos cósmicos de baja rigidez que alcanzan la Tierra. AMS-02 ha medido el flujo diario de electrones y positrones entre 2011 y 2021, observando como es afectado por el campo magnético del Sol durante un ciclo solar de 11 años. Se publicó en Physical Review Letters el año pasado para rigideces entre 1.00 y 41.9 GV, para un flujo de 3.4 millones de positrones. La figura (arriba a la izquierda) muestra los flujos de electrones diarios observados por AMS-02 para cuatro intervalos de rigidez entre 1.00 y 11.0 GV medidos desde mayo de 2011 hasta noviembre de 2021, que siguen una dinámica acoplada a la del ciclo solar. Para rigideces bajas entre 1.00 y 1.71 GV, se observa una histéresis entre el flujo de electrones y de protones (arriba a la derecha), similar a la observada entre el flujo de electrones y positrones (abajo a la izquierda), con el flujo de positrones y de protones siguiendo una variación temporal muy similar (abajo a la izquierda). La histéresis entre los flujos de electrones y positrones tiene una significación estadística mayor de 5⁢ sigmas para rigideces menores de 8.5 GV. Estos resultados ayudan a entender como afecta la heliosfera y el ciclo solar a los rayos cósmicos que observa AMS-02. Más detalles en el artículo de AMS Collaboration, «Temporal Structures in Positron Spectra and Charge-Sign Effects in Galactic Cosmic Rays,» Phys. Rev. Lett. 131: 151002 (12 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.151002.

Otro resultado interesante de AMS-02 que también se ha publicado en Physical Review Letters, en este caso del año 2021, es sobre el flujo de hierro (el elemento más pesado observado en los rayos cósmicos). AMS-02 compara su resultado para 620 mil núcleos de hierro (Fe) en los rayos cósmicos con rigideces entre 2.65 GV y 3.0 TV. Por encima de una rigidez de 80.5 GV, el espectro para el Fe se parece más a los espectros de los elementos más ligeros, helio (He), carbono (C) y oxígeno (O), que a los de los elementos más pesados, neón (Ne), magnesio (Mg) y silicio (Si). Más el cociente entre los flujos de hierro y oxígeno es constante, 0.155 ± 0.006. Este resultado apunta a que podría haber dos modos de producción de rayos cósmicos primarios, uno para He, C, O y Fe, y otro para Ne, Mg y Si, pero en los modelos actuales solo se considera uno. Un resultado sorprendente del espectro del Fe que deberá ser explicado por futuros modelos teóricos para la producción de rayos cósmicos primarios y secundarios. El artículo es AMS Collaboration, «Properties of Iron Primary Cosmic Rays: Results from the Alpha Magnetic Spectrometer,» Phys. Rev. Lett. 126: 041104 (28 Jan 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.041104; más información divulgativa en Matteo Rini, «Ironing Out Cosmic Rays,» Physics, 14: s9 Jan 2021 [APS web].