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Review paper: Measurements of Galactic Cosmic RaysReview paper:

I made a review on the “Direct Measurements of Galactic Cosmic Rays”. My review is focused is on the recent progress in the measurements of cosmic rays in space in the 3rd millennium. How it is started? How it’s going? So little time, so much to do.

How it started. . . how it’s going. A timeline of the accomplished, ongoing, and planned experiments of direct CR detection in space (yellow) or on stratospheric balloons (red) in the present millennium. Courtesy of Alberto Oliva.

This paper is a write-up of the invited review talk I gave at ECRS2022, the 27th European Cosmic Ray Symposium, 25-29 July 2022 – Nijmegen, the Netherlands.

The PDF of the paper can be download from here: arXiv:2301.10255.
The slides of the talk can be downloaded from here.

Title: Direct Measurements of Galactic Cosmic Rays.
Abstract: This paper reviews recent progress in the field of direct measurements of Galactic cosmic rays. High-statistic measurements of cosmic ray energy spectra, chemical and isotopic composition, and the rare antimatter components have been made using large particle physics experiments operating in space. The recent results are discussed in relation to our understanding of the origin of cosmic rays, the open questions, and the challenges for future experiments of direct detection.

New paper: on the nature of the time lag in cosmic-ray modulation

My new paper is out. It’s entitled “Temporal evolution and rigidity dependence of the solar modulation lag of Galactic cosmic rays”. It’s about the connection between the 11-year solar activity and the Galactic cosmic-rays reaching Earth.

Schematic view of the Heliospheric modulation of Galactic cosmic rays.

The paper is available open access here: Tomassetti et al. PRD 103022 (2022).
A short summary is given here:

✪ In this paper, we use data collected over 5 solar cycles, 1965 to 2020 to investigate the association between solar activity and cosmic rays in the heliosphere. The variation of the cosmic ray intensity is known to be well correlated with the monthly number of sunspot number. The latter is a good proxy for the Sun’s magnetic activity. However, there is a time lag of few months between sunspots and cosmic ray fluxes. Moreover, the lag is cycle dependent.
✪ We found that the lag is subjected itself to a quasi-periodical modulation. Here is the reconstruction of the lag using neutron monitor data from Rome (IT) and data from the ACE spacecraft. The time-series can be fit with a sinusoidal function of period T~ 22 years.
✪ So, there is a quasi-periodic change of the lag, clearly connected with the Sun’s magnetic activity and its effect in space. But we also found that its mean value (i.e.g the cycle-averaged lag) depends on the energy of the cosmic rays. Higher is their energy, and lower is the lag.
✪ These results can be interpreted in terms of transport of high-energy particles through heliospheric turbulence. The 22-yrs periodicity of the lag arises from charge-sign dependent drift. It’s dependence on particle energy, from Kolmogorov-type diffusion of cosmic rays.
✪ An important aspect, to interpret our results, is to consider the latitudinal profile of the solar wind. A radially symmetric wind cannot work. A latitudinal profile 𝑽(𝜽) for the solar wind speed explains well the observed periodicity in the modulation lag. Such a profile is also based on the data from the Ulysses spacecraft.
✪ If our interpretation is correct, the observed effect is charge-sign dependent. If we could measure the time-lag using cosmic antiprotons instead of protons, we should have a somehow opposite behavior. This prediction can be resolutely tested by the AMS-02 experiment.
✪ Finally, we also provide a simple formula to describe the temporal & energy dependence of the lag over the solar cycle. It can be used as an effective input for our effective & predictive model of solar modulation, but this will be done in a next paper.

New publication on Neon, Magnesium, and Silicon in Cosmic Rays

Our new results obtained with the AMS experiment onboard the Space Station are published: The paper presents new measurements of the energy spectra for Ne, Mg, and Si in cosmic rays. These spectra reveal features not predicted by existing cosmic-ray models. Improving these models should lead to a better understanding of the supernovae that produce and accelerate cosmic rays and of the interstellar medium, through which they travel. Cosmic-ray nuclei carry information on supernovae, on the processes that forged the elements, and on the structure of our Galaxy and of the interstellar medium—information that researchers hope to extract by analyzing spectra for each cosmic-ray element. All known chemical elements are present in cosmic rays, but their prevalence generally decreases with increasing atomic number, reflecting the scarcity of heavier elements in the cosmos. So far, precise spectra have been obtained for the elements from hydrogen to oxygen; measurements of heavier-element spectra have error bars as large as 20%. With such poor data to work with, researchers haven’t previously learned much from these elements’ spectra. These new results now give theorists a lot of work to do, and they are “opening an entirely new window” on precision cosmic-ray spectroscopy.

Comunicato INFN/ASI: Anche i raggi cosmici hanno il loro peso

COMUNICATO CONGIUNTO INFN-ASI. Le misure dell’esperimento AMS-02 realizzate sulla Stazione Spaziale Internazionale migliorano la conoscenza delle proprietà dei raggi cosmici rivelando sottili differenze tra quelli pesanti e quelli leggeri, e fornendo così nuove opportunità per la comprensione delle origini e della propagazione delle particelle cosmiche

È senza sosta il lavoro dell’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) che, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) dal 2011, continua lo studio dei raggi cosmici. La collaborazione scientifica dell’esperimento AMS ha, infatti, appena riportato una nuova misura di alta precisione sull’abbondanza e la forma dello spettro del flusso dei raggi cosmici primari Neon, Magnesio e Silicio.

L’analisi delle proprietà di questa classe di raggi cosmici, meno abbondanti di altri primari più leggeri quali Elio, Carbonio e Ossigeno, forniscono informazioni uniche per lo studio delle loro sorgenti astrofisiche nella Galassia e per la comprensione dei meccanismi della loro propagazione nel mezzo interstellare fino alla rivelazione nel Sistema Solare.

La ricerca completa è stata recentemente pubblicata su Physical Review Letters (PRL) e segnalata come Editor’s suggestion. Gli importanti risultati sono stati anche commentati in un articolo sulla rivista Physics della American Physical Society. Lo studio è stato realizzato nell’ambito di una collaborazione internazionale cui partecipano, a livello nazionale, ricercatori dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, delle Università di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata e Trento e dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).

AMS-02 è uno spettrometro magnetico disegnato e costruito per la misura di precisione dei raggi cosmici nello spazio. Chiamato anche “Il cacciatore di antimateria e materia oscura” è posizionato sulla struttura di supporto trasversale della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Nel maggio 2011 nel corso della missione STS-134 Endeavour, AMS-02 è stato installato sulla ISS  utilizzando il braccio meccanico CANADARM, manovrato dall’astronauta Roberto Vittori. Lo strumento è stato recentemente oggetto di alcune spettacolari attività extraveicolari destinate alla sua riparazione che hanno visto protagonista l’astronauta dell’ESA, Luca Parmitano. Le misure e le informazioni provenienti dall’analisi dei dati raccolti da AMS-02 negli ultimi 9 anni stanno fornendo un contributo determinante alla nostra conoscenza dei raggi cosmici. Tutti i dati prodotti da AMS, compresi questi appena pubblicati, sono liberamente accessibili attraverso il portale Cosmic Ray Database ospitato nello Space Science Data Center (SSDC) dell’Agenzia Spaziale Italiana

Le recenti osservazioni di AMS-02 migliorano notevolmente la nostra conoscenza delle proprietà delle specie nucleari primarie più pesanti, descritte in maniera solo approssimata dalle misure precedenti. I raggi cosmici Neon, Magnesio e Silicio, oggetto dello studio, mostrano difatti una simile dipendenza della loro intensità in funzione dell’energia, che risulta tuttavia differente da quella caratteristica dei raggi cosmici primari più leggeri quali Elio, Carbonio e Ossigeno, di fatto evidenziando che esistono diverse classi di raggi cosmici primari con differenti proprietà.

“L’analisi delle differenze e delle similarità tra queste classi di raggi cosmici nucleari – spiega Valerio Vagelli, ricercatore dell’ASI – potrebbe rivelare la necessità di esplorare nuovi scenari per riprodurre i dati osservati, svelando dettagli del mezzo interstellare o la presenza di nuove sorgenti di raggi cosmici nucleari. La scoperta di queste peculiarità, ad oggi non attese dai modelli teorici, conferma il potenziale unico che i dati raccolti dall’esperimento AMS-02 possono fornire ai fini di esplorare in profondità i meccanismi di origine e propagazione dei raggi cosmici sfruttando l’acceleratore di particelle naturale e unico: l’Universo”.

“Le grandi prestazioni e la lunga durata della missione di AMS-02 – commenta Paolo Zuccon, ricercatore dell’Università di Trento e dell’INFN, e responsabile nazionale per l’INFN di AMS – permettono di ottenere misure precise dei flussi di raggi cosmici, che per la prima volta rivelano loro proprietà singolari finora inaccessibili. Questa dettagliata conoscenza mette in discussione i modelli riguardo l’origine e la propagazione dei raggi cosmici e ci spinge a elaborare una più profonda comprensione dei fenomeni di alta energia che avvengono nella Galassia. Grazie alla precisione e all’accuratezza delle sue  misure, AMS-02 ha il potenziale di  osservare fenomeni di nuova fisica e affrontare problemi come  la natura della materia oscura e l’origine della asimmetria materia-antimateria. Grazie all’intervento di riparazione effettuato con successo dalla NASA e da Luca Parmitano, AMS-02 continuerà a raccogliere dati almeno fino al 2028”.

New paper published: Numerical modeling of cosmic-ray modulation in Solar Cycle 24

Thanks to space-borne experiments of cosmic-ray (CR) detection, such as the AMS and PAMELA missions in low-Earth orbit, or the Voyager-1 spacecraft in the interstellar space, a large collection of multi-channel and time-resolved CR data has become available. Recently, the AMS experiment has released new precision data, on the proton and helium fluxes in CRs, measured on monthly basis during its first six years of mission. The data reveal a remarkable long-term behavior in the temporal evolution of the proton-to-helium ratio at rigidity R below 3 GV. As we have argued in a recent work, such a behavior may reflect the transport properties of low-rigidity CRs in the inteplanetary space. In particular, it can be caused by mass/charge dependence of the CR diffusion coefficient. In this paper, we present our developments in the numerical modeling of CR transport in the Milky Way and in the heliosphere. Within our model, and with the help of approximated analytical solutions, we describe in details the relations between the properties of CR diffusion and the time-dependent evolution of the proton-to-helium ratio. Check out the the paper:

N. Tomassetti, F. Barao, B. Bertucci, E. Fiandrini, M. Orcinha, Numerical modeling of cosmic-ray transport in the heliopshere and interpretation of the proton-to-helium ratio in Solar Cycle 24, Adv. Space Res. 64 (2019) 2477-2489 [arXiv:1906.11477]

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New paper: isotopic composition of cosmic helium

Our new paper is now out. The paper is titled “Properties of Cosmic Helium Isotopes Measured by the Alpha Magnetic Spectrometer” and it is published in Physical Review Letter 123, 181102 (November 2019), selected as Editor’s suggestion. In this article, we reports new data of the AMS experiment in the ISS on the isotopic composition of cosmic-ray helium (3He and 4He isotopes) as function of energy (or rigidity) and time. The study is based on 100 million 4He nuclei in the rigidity range from 2.1 to 21 GV and 18 million 3He from 1.9 to 15 GV collected from May 2011 to November 2017. We observed that the 3He and 4He fluxes exhibit nearly identical variations with time. The relative magnitude of the variations decreases with increasing rigidity. The rigidity dependence of the 3He/4He flux ratio is measured for the first time. Below 4 GV, the 3He/4He flux ratio was found to have a significant long-term time dependence. Above 4 GV, the 3He/4He flux ratio was found to be time independent, and its rigidity dependence is well described by a single power law ∝RΔ with Δ=−0.294±0.004. Quite remarkably, this value is in agreement with the B/O and B/C spectral indices at high energies.