包括X射线和伽马射线在内的高能辐射观测的最新进展已经揭示了宇宙的许多高能方面。然而，为了完全理解这些辐射，研究人员需要找到更多关于产生这些辐射的高能粒子(即宇宙射线)的信息。实际上，以幂律谱为特征的非热辐射都受到这些射线的加速和传播的支持。
直接观察这些宇宙射线只能通过将测量仪器置于地球大气层的全部或大部分之上来实现。此外，由于这些最高能量的粒子非常罕见，研究它们需要相当长的观察时间。因此，国际空间站(ISS)是收集这些观测结果的理想地点。
CALET合作是来自全球多所着名大学的大型研究团队，他们开发了一种能够识别高能粒子(如电子，质子和其他原子核)并准确测量其能量的仪器。然后，他们将该仪器放在国际空间站上，并用它来收集宇宙射线质子谱的直接测量值。在最近发表在Physical Review Letters上的一篇论文中，研究人员介绍了他们测量的分析和结果。
“为了观察宇宙射线，特别是银河宇宙射线，有必要在高空探测它们，其中剩余的大气层足够薄，”CALET合作通过电子邮件告诉Phys.org。“为此目的，许多仪器被设计和飞行以进行多年的直接观测。结果，我们现在有了银河宇宙射线的标准图像，并且知道宇宙射线被超新星遗迹中的冲击波加速，扩散地传播通过银河系磁场的不规则性，最终逃离我们的银河系。“
自21年初ST世纪，研究人员已经在使用撞实验开发的颗粒检测技术宇宙射线的观测取得显著的进展。在过去的几十年中，利用地球缺乏大气层的太空实验也表明宇宙射线(如质子)中出现意外的光谱硬化，这与之前的单一幂律谱预测相矛盾。研究人员已经提出了几种理论模型来解释这种观察到的光谱硬化，这些模型仍然在积极争论中。
由CALET合作开发的量热电子望远镜(CALET)是一种基于空间的仪器，经过优化，可测量全电子光谱并配备完全活跃的量热仪。他们的仪器可以测量宇宙射线的主要成分，包括能量范围高达1 PeV的质子，轻核和重核。
“CALET针对宇宙射线电子的测量进行了优化，但也能够很好地识别其他带电粒子：质子(氢原子核)，氦原子核和较重元素的原子核，”CALET合作解释说。
CALET由三个探测器系统组成，每个探测器系统由各种类型的闪烁体组成，当被带电粒子穿透时，闪烁体发出光脉冲。顶部的电荷检测器(CHD)可识别入射粒子的电荷(即电子和质子为1，氦原子核为2等)，而成像量热仪(IMC)则补充CHD的电荷测量值，粒子的轨迹并开始测量它的能量。CALET的最终成分是全吸收闪烁量热计(TASC); 一堆非常厚的[26.4cm]高密度闪烁体(钨酸铅)，其厚度足以容纳由颗粒与IMC中闪烁体之间散布的钨薄层相互作用引发的整个颗粒淋浴。
CALET于2015年8月19日正式启动，并安装在国际空间站上的日本实验舱 - 暴露设施上，预计任务持续时间为五年或更长。几个月后，即10月13日，研究人员开始进行科学观察，并开展了连续作业。
“我们的数据分析包括探测器校准，事件重建，基于电荷和其他数量的质子候选物选择，剩余污染物的估计及其减法，考虑到探测器响应和检测的能量展开 -
效率校正，“CALET合作解释说。”系统不确定性的详细评估，包括使用CERN-SPS的光束测试结果进行的蒙特卡罗模拟的调整和验证，是该分析的另一个关键点。
研究人员最近公布的结果基于截至2018年8月31日的飞行数据。他们收集的完全校准和重建的数据集，称为“2级”，总计超过30 TB，但由此产生的质子谱仅为少数CALET空间仪器能够测量从50 GeV到10 TeV覆盖的宇宙射线质子光谱，这是第一次使用不同磁谱仪在不同子范围内研究的整个能量区间(例如BESS-TeV，PAMELA和AMS-02)和量热仪器(例如ATIC，CREAM和NUCLEON)，使用单一仪器。
研究人员表示，“CALET提供了比其他仪器先前发表的结果更精确的宇宙射线质子能谱的精确测量。” “CALET的结果与较低能量的先前测量值一致，并将这些测量值扩展到更高的能量。”
使用CALET，研究人员最终确定了较高能量的质子强度显着大于从较低能量的强度光谱的简单外推所预期的，这已经在早期测量中已经提出。高能质子谱的这种“硬化”要求改变早期宇宙射线产生和通过银河系传播的方法。
“CALET提供了从50 GeV到10 TeV的宽能量范围内的宇宙射线质子谱的精确直接测量，显示了TeV区域的渐进硬化，从而严重限制了当前观察到的银河宇宙射线的加速和传播模型。核谱的硬化，“研究人员解释说。“CALET测量有助于绘制一个连贯的实验图片，克服了连接低于约1 TeV的磁光谱仪进行的精确测量的长期问题，通过在超TeV能量下的气球实验进行量热测量。我们认为这可以考虑作为质子谱测量历史的亮点之一。“
除了确认光谱硬化的存在之外，CALET合作收集的测量结果还可以用于间接搜索暗物质，大气和宇宙中微子以及伽马射线物理的计算。研究人员现在正计划测试与核谱中可能的电荷依赖性截止相关的进一步假设，这可以解释在全粒子谱中观察到的“拐点”。该假设只能通过在显着持续时间的空间实验中收集的测量结果直接测试，具有显着的暴露并且能够基于电荷测量来识别单个元素。
“通过地面探测器间接观察到，用标准参数计算的超新星残余物的加速度极限通常远小于”膝盖“的能量，”研究人员解释说。“因此，在高能量下精确直接观察质子和氦谱是非常重要的。基于对正在进行的五年(或更多)观测期间额外飞行数据的分析，改进统计数据和更好地理解仪器可能会发现依赖能量截止可能是由于质子和氦谱中超新星残余的加速度极限，或者对加速度模型设置了重要的约束。