Experimento sobre la energía y la masa de los rayos cósmicos

El experimento CREAM ( Cosmic Ray Energetics and Mass ) tiene como objetivo determinar la composición de los rayos cósmicos hasta los 10¹⁵ ^eV (también conocido como el "punto de inflexión") en el espectro de rayos cósmicos .

Se ha planteado la hipótesis de que la curva de respuesta en frecuencia del espectro de rayos cósmicos puede explicarse por la energía máxima teórica a la que una supernova puede acelerar partículas según la aceleración de Fermi . Las mediciones se realizan utilizando un detector de carga basado en el tiempo y un detector de radiación de transición enviados a una altitud de al menos 34  km (21  millas) con la ayuda de un globo de gran altitud .

Tras su lanzamiento desde la estación McMurdo en la Antártida, el globo permanecerá en el aire durante 60 a 100 días recopilando datos sobre las cargas y energías de los rayos cósmicos que, sin obstáculos, impactan en los detectores.

Una de las ventajas de este tipo de experimento es que permite identificar la partícula original que habría causado la cascada atmosférica detectada por detectores terrestres. El nivel máximo de energía detectable está determinado por la duración del vuelo y el tamaño del detector; una barrera difícil de superar para experimentos de este tipo. Es necesaria una medición precisa de la composición de los rayos cósmicos para comprender los orígenes de los rayos cósmicos encontrados por encima del umbral de 10¹⁵ ^eV . Hasta la fecha, los experimentos con globos CREAM han acumulado un total de 161 días de exposición, más que cualquier otro experimento individual con globos. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

• ¿Puede explicarse el fenómeno de la "rodilla" por la aceleración máxima debida a las supernovas?
• ¿Ha cambiado la composición de los rayos cósmicos con el paso del tiempo?
• ¿Existen múltiples mecanismos responsables de la producción de rayos cósmicos?

Para responder a estas preguntas, resulta de particular interés investigar los rayos cósmicos en la región de ^10¹² a 10¹⁵ ^eV debido a varias teorías que predicen un cambio en la composición elemental justo por debajo del punto de inflexión. Para determinar el espectro elemental de los rayos cósmicos, CREAM utiliza un detector de carga de silicio , un detector de carga de temporización y hodoscopios de fibra centelleante para detectar la carga de las partículas incidentes hasta la del hierro (Z = 26). Las energías se miden con un detector de radiación de transición (TRD), junto con un calorímetro de ionización . Dado que todos los detectores están muy cerca unos de otros, es fundamental minimizar la interacción entre las cascadas producidas en el calorímetro y los instrumentos de medición de carga. Para atenuar este efecto, CREAM utiliza un mayor número de píxeles con un área menor, junto con un tiempo de lectura muy rápido para diferenciar entre los eventos causados ​​por la partícula primaria y los eventos causados ​​por la retrodispersión del calorímetro.

La densidad relativamente baja del TRD permite una geometría de detector mayor para detectar partículas con un flujo menor. Al medir el factor de Lorentz γ , junto con el conocimiento de la carga de la partícula, es posible calibrar el detector con varios rayos cósmicos de carga ±1 (electrones, piones, muones, etc.). Debido a la energía de corte geomagnética relativamente baja para los rayos cósmicos cerca del Polo Sur, se coloca un detector Cherenkov entre los módulos del TRD para que actúe como veto para estas partículas de baja energía. ^{[ 3 ]}

Para la alimentación eléctrica, el sistema incluye baterías para el almacenamiento de energía, junto con un panel solar con capacidad para mantener la misión durante 100 días. En total, se espera que el instrumento consuma solo 380 vatios de una fuente de alimentación de 28 voltios, gracias a una cuidadosa selección de componentes electrónicos de bajo consumo. En condiciones de casi vacío, se deben tomar precauciones importantes contra las descargas corona entre componentes electrónicos sin protección que operan a tan solo 100 voltios. Esto se mitiga al encapsular todos los componentes electrónicos relevantes en un compuesto dieléctrico ligero, como el yeso.

El instrumento debe ser capaz de funcionar en un amplio rango de temperaturas, ya que el alto albedo de la Antártida puede provocar temperaturas muy elevadas, mientras que los períodos de oscuridad darán lugar a temperaturas muy bajas.

Sin incluir el lastre, el peso total del instrumento no debe exceder los 2500 kg (5500 libras) para alcanzar la altitud deseada. La recuperación se realiza separando el instrumento del globo tras un tiempo de exposición suficiente, y se abre un paracaídas para frenar su descenso. Si bien el experimento está diseñado para cumplir con los requisitos estructurales de la Instalación de Globos Científicos de Columbia , es inevitable que se produzcan algunos daños en las partes reemplazables del instrumento. La prioridad principal es la recuperación de datos; todos los demás sistemas se consideran secundarios en este momento. 

Los experimentos CREAM están siendo financiados actualmente por la NASA .

El equipo de colaboración actual de CREAM incluye miembros de

• Sistema de Rayos Cósmicos (Experimento de rayos cósmicos a bordo de las sondas Voyager)

• Sitio web oficial
• Fotos del experimento de energía y masa de rayos cósmicos en Tumbler.