AMS-02 confirms PAMELA positron data extending the measurement at higher energy

(This is a bad english translation of the italian post)

PAMELA is a magnetic spectrometer launched more than six years ago aboard the Russian satellite Resurs-DK1. Since 2006 has been providing high precision data on cosmic rays of solar, galactic and trapped in the geomagnetic field.

The main result is that the size of the component of antimatter, antiprotons and positrons, present in cosmic rays. The importance of this measure lies in the possibility indirect detection of  dark matter.

Possible production of secondary particles as a result of the annihilation of dark matter particles. 

  PAMELA data, published in Nature in 2009   ( Nature 458, 607-609 (2009)   a copy is available here ), reached for the first time the energy of 100 GeV. The picture that emerges is challenging for dark matter: the number of antiprotons is consistent with what is expected from a normal production, while the positrons shows a significant increase above 10 GeV. Various hypotheses have been put forward (several hundred in more than 1000 papers). Indeed, on the nature of this unexpected increase of high-energy positrons the most interesting is the possibility that they may be produced by the annihilation of dark matter, although astrophysical sources such as pulsars could contribute in part the positron flux observed.

Measurement of the positron / (positrons + electrons) (top) and antiproton / proton (bottom) measured by PAMELA. The measurement of the ratio allows for a more precise measurement, reducing the instrumental effects. Note the rarity of antiparticles than particles. The component of antiprotons is consistent with the various hypotheses on the interaction of cosmic rays in the interstellar medium (solid and dashed curves), while that of positrons shows an unexpected excess above 10 GeV. The black curve shows the expected contribution in the absence of anomalous contributions, while the green curve suggests the contribution of a particle of dark matter, which - annihilate - produces an excess of positrons. The blue curve shows an estimate of the possible contribution due to Pulsar.

The results of AMS compared with those of PAMELA and GLAST
(From here )

It is therefore very   nice (and mostly reassuring ....) to have a confirmation of the PAMELA 2009 data. The first confirmation came with the satellite FERMI / GLAST in 2011 ( here the preprint, here an explanation of the method of measurement) which extended the energy. range 
The independent measurements of AMS , presented by Sam Ting at Cern April 3 (here the press release), here an excellent post by Roberto Battiston, in fact, show a good agreement with those of PAMELA. The greater size of AMS allows to have a greater number of positrons and therefore a minor statistical error and reach higher energies. At low energies the difference is due to the solar modulation. At higher energies it seems that the ratio positron / electron tends towards a constant value (and lower than that of GLAST), indicating that the mechanism of production of positrons, whatever it is, is going towards a constant value. Unfortunately there are no clear structures  (with a lot of imagination something to 100 GeV) or sharp drops that  might be due to  dark matter annihilation. 

This first result shows the potential of AMS, the most important experiment on board the  International Space Station and bodes well for the continuation of the mission.

It will be interesting to see if the results of AMS on antiprotons confirm -as it is plausible to expect - those of PAMELA.

Antimateria e la materia oscura nello spazio con PAMELA (2)

Adattato ed aggiornato da M.C., P. Picozza, Pamela: la ricerca di antimateria nello spazio, Le Stelle, n.73 maggio 2009. 

Seconda parte

Obiettivi scientifici e risultati

Gli obiettivi scientifici di PAMELA sono riassunti nella  figura sottostante e vanno dalla ricerca di antimateria nello spazio allo studio dei raggi cosmici galattici, solari ed intrappolati. Il grafico, realizzato per la prima volta da Hillas, rappresenta le varie sorgenti astrofisiche a seconda delle loro dimensioni e dell'intensità del loro campo magnetico. Ogni oggetto astrofisico è in grado di accelerare particelle sino ad una energia massima definita da questi due parametri. Anche se le energie in gioco sono enormemente diverse, i processi di magnetoidrodinamica - la disciplina che studia l'interazione tra particelle e campi magnetici - su una scala più facilmente accessibile, come ad esempio le fasce di radiazione terrestri, aiutano a comprendere fenomeni che avvengono in strutture più complesse e lontane (come le pulsar). Punto di forza dell'esperimento è dunque lo studio dei raggi cosmici nei suoi diversi aspetti, spaziando dalla fisica delle interazioni fondamentali ai meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione delle particelle nella galassia, nel nostro sistema solare ed intorno al nostro pianeta.

Gli obiettivi scientifici di PAMELA e le sorgenti astrofisiche studiate.

Antimateria, antiprotoni e positroni.

Come già accennato, obiettivo principale dell’esperimento è la misura accurata dello spettro di antiparticelle nei raggi cosmici. Antiprotoni e positroni hanno la stessa massa e lo stesso valore assoluto della carica elettrica delle loro controparti, protoni ed elettroni, che sono i costituenti di base degli atomi del nostro mondo. Le loro cariche elettriche hanno però segno contrario e dunque possono essere identificati dalla opposta curvatura nel campo magnetico di PAMELA. La rarità di queste antiparticelle – un antiprotone ogni 100.000 protoni ed un positrone ogni 10 elettroni – è un’altra prova della asimmetria tra materia ed antimateria. Queste componenti sono normalmente prodotte in urti tra protoni galattici ed il gas interstellare e  non sono contaminate dalle sorgenti stellari e costituiscono un ottimo strumento per la ricerca indiretta della materia oscura. Infatti, un eventuale eccesso del numero di antiparticelle rivelate può essere indice di materia oscura che si è annichilata dando un ulteriore contributo alla loro produzione. A seconda dei vari modelli sulla natura e massa delle elusive particelle che compongono questo tipo di materia, è possibile prevedere distorsioni e incrementi degli spettri di antiprotoni e positroni.

Produzione di antiprotoni nel mezzo interstellare. I protoni relativistici,  accelerati nell'esplosione di supernovae, urtano con quelli in quiete della polvere galattica. Dalla collisione viene prodotto un antiprotone ed un protone (per conservazione della carica e del numero barionico). 

Anche la materia oscura può produrre antiparticelle. Secondo molte teorie questa particella può annichilarsi se viene a contatto con un'altra particella uguale (è la sua stessa antiparticella), producendo raggi gamma, positroni-elettroni o protoni-antiprotoni. Solo i positroni e gli antiprotoni (ed eventualmente i gamma) sono prodotti in quantità sufficienti per poter rivelare essere rivelati.  

Produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura. 

Le misure di PAMELA hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100-200 GeV, energia mai raggiunta precedentemente. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi (varie centinaia in circa 500 articoli!) sulla natura di questo aumento inaspettato di positroni di alta energia la più interessante è appunto quella che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Misura del rapporto positrone/(positroni + elettroni) (alto) e antiprotone/protone (basso) misurato da PAMELA. La misura del rapporto consente di ottenere una misura più precisa, riducendo gli effetti strumentali. Si noti la rarità delle antiparticelle rispetto alle particelle. La componente di antiprotoni risulta coerente con le varie ipotesi sulla interazione di raggi cosmici nel mezzo interstellare (curve continue e tratteggiate) , mentre quella di positroni mostra un eccesso inaspettato sopra 10 GeV. La curva in nero mostra il contributo atteso in assenza di contributi anomali, mentre la curva in verde ipotizza il contributo di una particella di materia oscura, che – annichilandosi – produce un eccesso di positroni. La curva blu mostra una stima del possibile contributo dovuto a Pulsar.  

2. continua
Parte 1