A precise measurement of the proton flux in primary cosmic rays with rigidity (momentum/charge) from 1 GV to 1.8 TV is presented based on 300 million events. Knowledge of the rigidity dependence of the proton flux is important in understanding the origin, acceleration, and propagation of cosmic rays. We present the detailed variation with rigidity of the flux spectral index for the first time. The spectral index progressively hardens at high rigidities.

Knowledge of the precise rigidity dependence of the helium flux is important in understanding the origin, acceleration, and propagation of cosmic rays. A precise measurement of the helium flux in primary cosmic rays with rigidity (momentum/charge) from 1.9 GV to 3 TV based on 50 million events is presented and compared to the proton flux. The detailed variation with rigidity of the helium flux spectral index is presented for the first time. The spectral index progressively hardens at rigidities larger than 100 GV. The rigidity dependence of the helium flux spectral index is similar to that of the proton spectral index though the magnitudes are different. Remarkably, the spectral index of the proton to helium flux ratio increases with rigidity up to 45 GV and then becomes constant; the flux ratio above 45 GV is well described by a single power law.

A precision measurement by AMS of the antiproton flux and the antiproton-to-proton flux ratio in primary cosmic rays in the absolute rigidity range from 1 to 450 GV is presented based on 3.49×10^{5} antiproton events and 2.42×10^{9} proton events. The fluxes and flux ratios of charged elementary particles in cosmic rays are also presented. In the absolute rigidity range ∼60 to ∼500 GV, the antiproton p[over ¯], proton p, and positron e^{+} fluxes are found to have nearly identical rigidity dependence and the electron e^{-} flux exhibits a different rigidity dependence. Below 60 GV, the (p[over ¯]/p), (p[over ¯]/e^{+}), and (p/e^{+}) flux ratios each reaches a maximum. From ∼60 to ∼500 GV, the (p[over ¯]/p), (p[over ¯]/e^{+}), and (p/e^{+}) flux ratios show no rigidity dependence. These are new observations of the properties of elementary particles in the cosmos.

Knowledge of the rigidity dependence of the boron to carbon flux ratio (B/C) is important in understanding the propagation of cosmic rays. The precise measurement of the B/C ratio from 1.9 GV to 2.6 TV, based on 2.3 million boron and 8.3 million carbon nuclei collected by AMS during the first 5 years of operation, is presented. The detailed variation with rigidity of the B/C spectral index is reported for the first time. The B/C ratio does not show any significant structures in contrast to many cosmic ray models that require such structures at high rigidities. Remarkably, above 65 GV, the B/C ratio is well described by a single power law R^{Δ} with index Δ=-0.333±0.014(fit)±0.005(syst), in good agreement with the Kolmogorov theory of turbulence which predicts Δ=-1/3 asymptotically.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a precision particle physics detector on the International Space Station (ISS) conducting a unique, long-duration mission of fundamental physics research in space. The physics objectives include the precise studies of the origin of dark matter, antimatter, and cosmic rays as well as the exploration of new phenomena. Following a 16-year period of construction and testing, and a precursor flight on the Space Shuttle, AMS was installed on the ISS on May 19, 2011. In this report we present results based on 120 billion charged cosmic ray events up to multi-TeV energies. This includes the fluxes of positrons, electrons, antiprotons, protons, and nuclei. These results provide unexpected information, which cannot be explained by the current theoretical models. The accuracy and characteristics of the data, simultaneously from many different types of cosmic rays, provide unique input to the understanding of origins, acceleration, and propagation of cosmic rays.

We present a measurement of the cosmic ray (e^{+}+e^{-}) flux in the range 0.5 GeV to 1 TeV based on the analysis of 10.6 million (e^{+}+e^{-}) events collected by AMS. The statistics and the resolution of AMS provide a precision measurement of the flux. The flux is smooth and reveals new and distinct information. Above 30.2 GeV, the flux can be described by a single power law with a spectral index γ=-3.170±0.008(stat+syst)±0.008(energy scale).

We report the observation of new properties of primary cosmic rays He, C, and O measured in the rigidity (momentum/charge) range 2 GV to 3 TV with 90×10^{6} helium, 8.4×10^{6} carbon, and 7.0×10^{6} oxygen nuclei collected by the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) during the first five years of operation. Above 60 GV, these three spectra have identical rigidity dependence. They all deviate from a single power law above 200 GV and harden in an identical way.

Precision measurements of cosmic ray positrons are presented up to 1 TeV based on 1.9 million positrons collected by the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station. The positron flux exhibits complex energy dependence. Its distinctive properties are (a) a significant excess starting from 25.2±1.8 GeV compared to the lower-energy, power-law trend, (b) a sharp dropoff above 284+91−64 GeV, (c) in the entire energy range the positron flux is well described by the sum of a term associated with the positrons produced in the collision of cosmic rays, which dominates at low energies, and a new source term of positrons, which dominates at high energies, and (d) a finite energy cutoff of the source term of Es=810+310−180 GeV is established with a significance of more than 4σ. These experimental data on cosmic ray positrons show that, at high energies, they predominantly originate either from dark matter annihilation or from other astrophysical sources.Received 21 October 2018Revised 4 December 2018DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.041102Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article's title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCosmic ray composition & spectraCosmic ray propagationCosmic ray sourcesParticle astrophysicsParticle dark matterGravitation, Cosmology & Astrophysics

We report on the observation of new properties of secondary cosmic rays Li, Be, and B measured in the rigidity (momentum per unit charge) range 1.9 GV to 3.3 TV with a total of 5.4×10^{6} nuclei collected by AMS during the first five years of operation aboard the International Space Station. The Li and B fluxes have an identical rigidity dependence above 7 GV and all three fluxes have an identical rigidity dependence above 30 GV with the Li/Be flux ratio of 2.0±0.1. The three fluxes deviate from a single power law above 200 GV in an identical way. This behavior of secondary cosmic rays has also been observed in the AMS measurement of primary cosmic rays He, C, and O but the rigidity dependences of primary cosmic rays and of secondary cosmic rays are distinctly different. In particular, above 200 GV, the secondary cosmic rays harden more than the primary cosmic rays.

Abstract One of the key challenges for nuclear physics today is to understand from first principles the effective interaction between hadrons with different quark content. First successes have been achieved using techniques that solve the dynamics of quarks and gluons on discrete space-time lattices 1,2 . Experimentally, the dynamics of the strong interaction have been studied by scattering hadrons off each other. Such scattering experiments are difficult or impossible for unstable hadrons 3–6 and so high-quality measurements exist only for hadrons containing up and down quarks 7 . Here we demonstrate that measuring correlations in the momentum space between hadron pairs 8–12 produced in ultrarelativistic proton–proton collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) provides a precise method with which to obtain the missing information on the interaction dynamics between any pair of unstable hadrons. Specifically, we discuss the case of the interaction of baryons containing strange quarks (hyperons). We demonstrate how, using precision measurements of proton–omega baryon correlations, the effect of the strong interaction for this hadron–hadron pair can be studied with precision similar to, and compared with, predictions from lattice calculations 13,14 . The large number of hyperons identified in proton–proton collisions at the LHC, together with accurate modelling 15 of the small (approximately one femtometre) inter-particle distance and exact predictions for the correlation functions, enables a detailed determination of the short-range part of the nucleon-hyperon interaction.