Sono stati pubblicati oggi su Physical Review Letter i nuovi risultati dell’Alpha Magnetic Spectrometer in orbita sulla Stazione Spaziale Internazionale.
Le misure del flusso di elettroni e positroni, grazie alla loro precisione e alla loro estensione in un intervallo di energia mai esplorato precedentemente, ci regalano importanti informazioni sull’origine di queste componenti della radiazione cosmica e il loro legame con la materia oscura.

Il grande cacciatore di antimateria Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), al quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), è in orbita attorno alla Terra a bordo della Stazione Spaziale Internazionale dal maggio 2011. I due articoli pubblicati oggi su Physical Review Letters descrivono alla comunità internazionale i risultati nella misura di positroni fino a energie di 500 GeV ed elettroni a energie fino a 700 GeV, basati su 10 milioni di elettroni e positroni identificati tra i 41 miliardi di raggi cosmici raccolti nei primi 30 mesi della missione.

Questi risultati estendono e migliorano le prime osservazioni pubblicate nella primavera dello scorso anno. Le nuove misure raggiungono un limite di energia finora inesplorato per queste componenti della radiazione cosmica e, grazie anche alla loro precisione, aprono nuovi orizzonti nella ricerca di fenomeni ancora sconosciuti in atto nel nostro universo.  

È passato quasi un secolo da quando Carl Anderson identificò il primo positrone, la prima particella di anti-materia tra la miriade di particelle che costituiscono i raggi cosmici. Da allora, numerosi esperimenti hanno dato la caccia a elettroni e positroni, per cercarne le origini e capire i meccanismi con cui arrivano alla Terra viaggiando nello spazio della nostra galassia. L’identificazione diretta dei positroni è particolarmente significativa per lo studio di fenomeni non ancora noti. Deboli quantità di antimateria possono, infatti, essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma la loro presenza è attesa scemare rapidamente al crescere dell’energia. Invece, la frazione di positroni osservata da AMS cresce rapidamente a partire da un’energia di 8 GeV, indicando l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica. L’eccesso osservato di positroni appare isotropo entro un’incertezza del 3% suggerendo che non ci siano direzioni particolari da cui nasce questo eccesso di positroni. Un’analisi dettagliata del tasso di crescita della frazione di positroni con l’energia esclude strutture fini, e per la prima volta indica chiaramente il raggiungimento di un valore massimo della frazione a energie attorno ai 275 GeV. Un punto importante da affrontare per l’interpretazione di questo risultato è se questo aumento della frazione di positroni sia dovuto a una sorgente aggiuntiva di positroni o a una “sparizione” di elettroni.  
Oltre all’eccesso di positroni, il secondo risultato che AMS pubblica oggi riguarda lo studio del flusso separato di elettroni e positroni, ovvero la misura del numero di queste particelle che arriva nell’unità di tempo alla sommità dell’atmosfera terrestre, e ne caratterizza con estrema precisione l’andamento con l’energia. I risultati indicano chiaramente che non ci sono brusche variazioni nello spettro dei flussi di elettroni, confermando quindi che l’andamento con l’energia della componente dei positroni richiede la presenza di nuovi fenomeni per la loro produzione. Questi risultati sono di estrema importanza per tracciare un identikit di possibili sorgenti di antimateria e discriminare il contributo della materia oscura. Collisioni di materia oscura producono, infatti, antimateria (positroni, antiprotoni) e, a seconda del tipo di materia oscura considerato, sono attesi diversi andamenti in dipendenza dall’energia dei flussi di particelle prodotte. I risultati pubblicati oggi in Physical Review Letters definiscono con alta precisione le caratteristiche dell’eccesso di positroni in funzione dell’energia e sono consistenti con particelle di materia oscura (neutralini) di massa dell’ordine di 1 TeV. Tuttavia, per stabilire se l’origine dell’eccesso dei positroni sia realmente legato alla materia oscura o se sia dovuto a sorgenti astrofisiche, ad esempio pulsar, dovrà essere esteso ulteriormente l’intervallo di energia della misura per determinare le modalità con cui la frazione di positroni decresce dopo aver raggiunto il suo massimo. Di particolare importanza sarà anche il confronto dell’effetto osservato con quello misurato in altre componenti di antimateria, ad esempio gli antiprotoni. Queste misure sono attualmente in corso in AMS e saranno oggetto delle prossime pubblicazioni.

“L’Universo è il laboratorio per eccellenza, dove materia ed energia coesistono – sottolinea il presidente dell’ASI, Roberto Battiston –  in condizioni che spesso non possono essere riprodotte sulla Terra. Le misure di AMS-02 sono un indizio dell’esistenza di nuovi fenomeni fisici, la cui natura deve essere ulteriormente chiarita. Questi risultati sono stati resi possibili grazie alla precisione dei dati di AMS-02 che, cento anni dopo la scoperta dei raggi cosmici da parte di Victor Hess, ne permette lo studio con una accuratezza ineguagliabile. L’ASI con INFN e l’industria nazionale ha dato un contributo determinante nel corso degli ultimi venti anni a questo successo della ricerca nazionale”.

“Questo risultato rappresenta un importante passo avanti nello studio di un fenomeno (l’eccesso di positroni) che era stato riscontrato per la prima volta nell’esperimento spaziale PAMELA, e che oggi viene misurato da AMS-02 con una precisione e un’estensione nell’intervallo di energia senza precedenti”, commenta il presidente dell’INFN, Fernando Ferroni. “La sinergia tra INFN, ASI e industria italiana coglie con il nuovo risultato di AMS-02 un frutto importante, migliorando significativamente la conoscenza di un fenomeno che presenta ancora risvolti misteriosi e quindi con potenzialità di nuove scoperte”, conclude Ferroni.

SCHEDA DELL’ESPERIMENTO

La missione. AMS è frutto di una collaborazione internazionale, diretta dal Premio Nobel S.C.C. Ting del MIT, i cui membri provengono da 15 nazioni in tre continenti, America (USA, Messico), Europa (Italia, Germania, Francia, Spagna, Olanda, Finlandia, Portogallo, Russia, Svizzera, Turchia) e Asia (Repubblica Popolare Cinese, Taiwan, Corea). L’Italia ha dato un contributo fondamentale alla realizzazione di questa impresa scientifica: la maggior parte dei rivelatori a bordo di AMS sono stati realizzati nel nostro paese grazie all’eccellenza scientifica e tecnologica raggiunta nel settore dai gruppi dell’INFN e delle Università coinvolte in questo esperimento e il contributo delle principali industrie aerospaziali italiane sotto il coordinamento dell’ASI.
Portato in orbita nel 2011 grazie alla missione Da.Ma dell’ASI – STS 134 Shuttle Endevour,  con a bordo anche l’astronauta italiano dell’ESA e colonnello dell’Aeronautica Militare, Roberto Vittori – e istallato sulla ISS in base ad un accordo tra la NASA e il DoE (Department of Energy), le operazioni dello strumento sono condotte dai membri della collaborazione nel centro di controllo (Payload Operation Control Center) situato al CERN di Ginevra e in stretto coordinamento con il team di supporto della NASA presso il Johnson Space Center. Copia integrale dei dati dall’esperimento è trasmessa e analizzata al centro di calcolo CNAF dell’INFN e distribuita quindi all’ASI Science Data Center (ASDC).
In Italia, la missione è stata realizzata congiuntamente da INFN e ASI sia nella fase di sviluppo della strumentazione (2000-2011) che nell’attuale fase di operazione in orbita e di analisi dei dati scientifici. Roberto Battiston dell’Università di Trento/INFN-TIFPA, e recentemente nominato presidente dell’ASI,  è deputy-spokesperson della collaborazione internazionale. Bruna Bertucci dell’Università di Perugia/INFN-Perugia coordina la collaborazione italiana, che vede la partecipazione di cinquanta ricercatori dell’Università e delle Sezioni INFN di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Roma “La Sapienza”, Pisa, Trento e presso il centro ASDC.

Lo strumento. AMS è un esperimento che, utilizzando lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di particelle elementari, studia problemi di fisica delle astro particelle, misurando con altissima precisione il flusso dei diversi tipi di raggi cosmici nello spazio. Opera ininterrottamente dal 2011 e continuerà la sua ricerca fino al mantenimento in funzione della ISS. Le caratteristiche tecniche dello strumento e la sua attività per almeno una decade, permetteranno lo studio di precisione dei raggi cosmici nell’intervallo di energie che va da centinaia di MeV a parecchi TeV, al fine di effettuare ricerche per verificare l’esistenza o l’assenza dell’antimateria generata nei primi istanti di vita dell’universo e la natura della materia oscura, due problemi di fondamentale importanza nel campo delle astroparticelle. Gli obiettivi scientifici primari di AMS coprono problemi sostanziali della fisica delle astroparticelle: l’esistenza o assenza dell’antimateria nucleare (nuclei di antielio o di anticarbonio) fino a energie di migliaia di miliardi di elettronVolt. La rivelazione di anche un solo antinucleo di elio avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la nostra comprensione del Big Bang; la ricerca indiretta dell’esistenza della materia oscura nella nostra galassia attraverso la misura di precisione di positroni, antiprotoni e raggi gamma di alta energia. AMS affronta anche questioni importanti nel campo dell’astrofisica: la misura dell’abbondanza degli isotopi leggeri nei raggi cosmici; la misura di precisione del flusso e della composizione di raggi cosmici prima del loro ingresso nell’atmosfera; lo studio dell’interazione dei raggi cosmici con il campo geomagnetico.