PAMELA ( Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics ) fue un módulo de investigación de rayos cósmicos conectado a un satélite en órbita terrestre. PAMELA se lanzó el 15 de junio de 2006 y fue el primer experimento basado en satélites dedicado a la detección de rayos cósmicos , con un enfoque particular en su componente de antimateria , en forma de positrones y antiprotones . Otros objetivos incluían el monitoreo a largo plazo de la modulación solar de los rayos cósmicos, mediciones de partículas energéticas del Sol , partículas de alta energía en la magnetosfera de la Tierra y electrones joviales . También se esperaba que pudiera detectar evidencia de aniquilación de materia oscura . [1] Las operaciones de PAMELA terminaron en 2016, [2] al igual que las operaciones del satélite anfitrión Resurs-DK1 . El experimento fue un experimento reconocido por el CERN (RE2B). [3] [4]
PAMELA fue el dispositivo más grande construido hasta el momento por la colaboración Wizard, que incluye a Rusia, Italia, Alemania y Suecia, y ha participado en muchos experimentos de rayos cósmicos basados en satélites y globos, como Fermi-GLAST . El instrumento, de 470 kg y 32 millones de dólares (24,8 millones de euros europeos, 16,8 millones de libras esterlinas británicas), estaba previsto originalmente para una misión de tres años. Sin embargo, este módulo duradero permaneció operativo y realizó importantes contribuciones científicas hasta 2016.
PAMELA está montado en el lado orientado hacia arriba del satélite ruso Resurs-DK1 . [1] Fue lanzado por un cohete Soyuz desde el cosmódromo de Baikonur el 15 de junio de 2006. PAMELA se ha colocado en una órbita elíptica polar a una altitud entre 350 y 610 km, con una inclinación de 70°.
El aparato tiene una altura de 1,3 m, una masa total de 470 kg y un consumo de energía de 335 W. El instrumento está construido alrededor de un espectrómetro de imán permanente con un rastreador de microbanda de silicio que proporciona rigidez e información dE/dx. En su parte inferior hay un calorímetro de imágenes de silicio-tungsteno, un detector de neutrones y un centelleador de cola de ducha para realizar la discriminación leptón/hadrón. Un tiempo de vuelo (ToF), hecho de tres capas de centelleadores de plástico, se utiliza para medir la velocidad y la carga de la partícula. Un sistema anticontador hecho de centelleadores que rodean el aparato se utiliza para rechazar los disparos falsos y las partículas de albedo durante el análisis fuera de línea. [5]
Datos preliminares (publicados en agosto de 2008, ICHEP Filadelfia) indican un exceso de positrones en el rango de 10 a 60 GeV. Se cree que esto es un posible signo de aniquilación de materia oscura : [6] [7] hipotéticas colisiones de WIMP entre sí y aniquilación para formar rayos gamma, partículas de materia y antimateria. Otra explicación considerada para la indicación mencionada anteriormente es la producción de pares electrón-positrón en púlsares con posterior aceleración en la proximidad del púlsar.
Los datos de los dos primeros años se publicaron en octubre de 2008 en tres publicaciones. [8] [9] Se confirmó el exceso de positrones y se descubrió que persistía hasta 90 GeV. Sorprendentemente, no se encontró ningún exceso de antiprotones. Esto es incompatible con las predicciones de la mayoría de los modelos de fuentes de materia oscura, en los que los excesos de positrones y antiprotones están correlacionados.
Un artículo, publicado el 15 de julio de 2011, confirmó especulaciones anteriores de que el cinturón de Van Allen podría confinar un flujo significativo de antiprotones producidos por la interacción de la atmósfera superior de la Tierra con los rayos cósmicos . [10] La energía de los antiprotones se ha medido en el rango de 60-750 MeV. Los rayos cósmicos chocan con átomos en la atmósfera superior creando antineutrones , que a su vez se desintegran para producir los antiprotones. Fueron descubiertos en una parte del cinturón de Van Allen más cercana a la Tierra. [11] Cuando un antiprotón interactúa con una partícula normal, ambos son aniquilados. Los datos de PAMELA indicaron que estos eventos de aniquilación ocurrieron mil veces más a menudo de lo que se esperaría en ausencia de antimateria . Los datos que contenían evidencia de antimateria fueron recopilados entre julio de 2006 y diciembre de 2008. [12] [13]
Las mediciones del flujo de boro y carbono se publicaron en julio de 2014, [14] importantes para explicar las tendencias en la fracción de positrones de los rayos cósmicos. [15]
El documento resumen de las operaciones de PAMELA fue publicado en 2017. [2]
Entre 1 y 100 GeV, PAMELA está expuesto a cien veces más electrones que antiprotones. A 1 GeV hay mil veces más protones que positrones y a 100 GeV diez mil veces más. Por lo tanto, para determinar correctamente las abundancias de antimateria, es fundamental que PAMELA pueda rechazar el fondo de materia. La colaboración PAMELA afirmó en "El rendimiento de separación de electrones y hadrones del calorímetro electromagnético PAMELA" que menos de un protón en 100.000 es capaz de pasar la selección del calorímetro y ser identificado erróneamente como positrón cuando la energía es inferior a 200 GeV.
La relación de materia y antimateria en los rayos cósmicos de energía inferior a 10 GeV que llegan a PAMELA desde fuera del Sistema Solar depende de la actividad solar y, en particular, del punto del ciclo solar de 11 años . El equipo de PAMELA ha invocado este efecto para explicar la discrepancia entre sus resultados de baja energía y los obtenidos por CAPRICE , HEAT y AMS-01 , que se recogieron durante esa mitad del ciclo en la que el campo magnético solar tenía la polaridad opuesta.
Estos resultados son consistentes con la serie de mediciones de positrones/electrones obtenidas por AESOP , que abarcaron ambas polaridades. Además, el experimento PAMELA contradijo una afirmación anterior del experimento HEAT de positrones anómalos en el rango de 6 GeV a 10 GeV.