Kozmik ışınlar, enerjileri MeV'den 10²⁰ eV'ye kadar değişen enerjik parçacıklardır. Bu parçacıkların özellikleri, enerji (rijidite) spektrumlarının ölçümleri ile incelenir; bu spektrumlar, enerjiye bağlı olarak birim zaman, katı açı, yüzey ve enerji başına düşen parçacık sayısını ifade eder. Spektrumları, enerji arttıkça hızla azalan bir yapıya sahiptir.
PeV'nin altındaki enerjiye sahip kozmik ışınların Samanyolu Galaksisinden kaynaklandığı düşünülmektedir.
Bu Galaktik kozmik ışınların elementel bileşimine hidrojen çekirdekleri, özellikle de protonlar hakimdir. Helyum çekirdekleri yaklaşık %10, elektronlar ve helyumdan daha ağır çekirdeklerin her biri sadece %1'dir.
Protonlar, elektronlar ve çekirdeklerin çoğu gibi yıldızlarda sentezlenen türler birincil kozmik ışınlar olarak adlandırılır.
Yıldızların çekirdeğinde nükleer füzyon yoluyla sentezlenebilen hafif çekirdekler, kütle arttıkça üretimleri enerjik olarak daha az elverişli hale geldiğinden, daha ağır çekirdeklerden daha bol miktarda bulunur.
Nikel gibi demirden daha ağır çekirdeklerin sentezi, büyük yıldızların ömrünün sonunda meydana gelen süpernova patlamaları gibi patlayıcı olaylar yoluyla gerçekleşir. Bu da demir ötesi çekirdekleri çok nadir hale getirir.
Birincil çekirdekler, dış uzaydaki kaynakları tarafından yayıldıktan sonra, yıldızlararası ortamla çarpışabilir ve daha hafif türler halinde parçalanabilir.
Bu, yıldız nükleosentezi yoluyla üretimi enerjik olarak tercih edilmeyen lityum, berilyum, bor, flor, skandiyum, titanyum ve vanadyum gibi çekirdeklerin ana üretim mekanizmasıdır. Bunlara ikincil kozmik ışınlar denir.
Benzer kütleli birincil çekirdeklerle karşılaştırıldığında, ikincil çekirdekler daha az miktarda bulunur ve sertlik arttıkça birincil çekirdeklerin spektrumlarından daha hızlı azalan sertlik spektrumlarına sahiptir.
Kozmik ışın spektrumlarının enerji (veya sertlik) bağımlılığı, kozmik ışınlar galaksi boyunca ilerlerken meydana gelen kaynaklarından emisyon, hızlanma ve yayılma mekanizmalarının kombinasyonundan kaynaklanır.
Kozmik ışınlar genişleyen şoklar boyunca yayılarak hızlanır ve galaktik manyetik alanın düzensizliklerine saçılarak yıldızlararası ortamda yayılır. Bu mekanizmaların her ikisi de parçacığın momentumuna veya manyetik sertliğine bağlıdır.
Kozmik ışın yayılımı, galaktik manyetik alan türbülansının özelliklerini içeren sertliğe bağlı bir difüzyon katsayısı cinsinden tanımlanır.
AMS İşbirliği üyeleri makalelerinde "Hidrojen çekirdekleri en bol bulunan kozmik ışın türleridir" diye yazdı.
"Proton ve döteron olmak üzere iki kararlı izotoptan oluşurlar."
"Büyük Patlama nükleosentezi çok küçük bir döteryum üretimini öngörür ve zamanla döteron bolluğu, yıldızlararası ortamda ölçülen 0.00002 döteron-proton oranıyla ilkel değerinden azalır."
"Birincil kozmik ışın protonları ve helyum-4 gibi süpernova kalıntılarında hızlandırılmak yerine, döteronların büyük ölçüde helyumun yıldızlararası ortamla etkileşimlerinden kaynaklandığı düşünülmektedir."
"Helyum-3 ile birlikte döteronlara ikincil kozmik ışınlar denir."
AMS fizikçileri son çalışmalarında, Mayıs 2011'den Nisan 2021'e kadar AMS tarafından tespit edilen 21 milyon kozmik döterondan elde edilen verileri inceledi.
Döteron akısının sertlikle nasıl değiştiğini inceleyerek şaşırtıcı özellikler buldular.
AMS verileri, bu oranların 4,5 GV'lik bir sertliğin üzerinde önemli ölçüde farklı olduğunu ve döteron-helyum-4 oranının sertlikle birlikte helyum-3-helyum-4 oranına göre daha az dik bir şekilde düştüğünü göstermektedir.
Buna ek olarak ve yine beklentilere meydan okuyarak, 13 GV'lik bir sertliğin üzerinde veriler, döteron akısının birincil kozmik ışınlar olan protonlarınkiyle neredeyse aynı olduğunu göstermektedir.
Basitçe ifade etmek gerekirse, araştırmacılar birincil helyum-4 çekirdekleri ile yıldızlararası ortam arasındaki çarpışmalardan beklenenden daha fazla döteron buldular.
AMS İşbirliği sözcüsü Dr. Samuel Ting, "Büyük kozmik proton arka planı nedeniyle döteronların ölçümü oldukça zordur" dedi.
"Beklenmedik sonuçlarımız kozmik ışınlar hakkında ne kadar az şey bildiğimizi göstermeye devam ediyor."
"AMS'nin kabul edilebilirliğini %300 oranında arttırmak üzere yapılacak güncellemeyle birlikte AMS tüm yüklü kozmik ışınları yüzde bir doğrulukla ölçebilecek ve doğru bir kozmik ışın teorisinin geliştirilmesi için deneysel bir temel sağlayacaktır."
Ekibin makalesi Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.