La rivista scientifica Nature pubblica oggi i primi risultati dell’esperimento DAMPE (DArk Matter Particle Explorer), in orbita su satellite dal dicembre 2015. Si tratta della misura del flusso di elettroni e positroni cosmici di altissima energia (da 55 GeV a 4,6 TeV). Per la prima volta la misura diretta di queste particelle nello spazio riesce a mettere in evidenza e valutare una brusca variazione, in gergo “break”, nell’andamento del loro flusso in funzione dell'energia. Ad energie al di sopra dei 0.9 TeV, il flusso di elettroni e positroni cambia il suo andamento e si “piega”, decrescendo più rapidamente con l’aumentare dell’energia. Questo fenomeno era stato recentemente misurato solo da esperimenti a terra, con osservazioni indirette, con un’incertezza molto maggiore e risultati in parte ancora preliminari. DAMPE, il primo satellite astrofisico cinese, è una collaborazione internazionale a cui lavorano oltre 100 tra scienziati, tecnici e studenti provenienti da istituzioni cinesi, italiane e svizzere guidate dal Purple Mountain Observatory (PMO) dell’Accademia Cinese di Scienze (CAS). L’Italia è coinvolta con un gruppo di circa venti scienziati dalle sezioni di Perugia, Bari e Lecce dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e le Università di Perugia, Bari e del Salento. “Il lavoro presentato oggi”, spiega Giovanni Ambrosi, portavoce italiano dell’esperimento, “è un passaggio fondamentale per la collaborazione internazionale, e dimostra come mettere in orbita strumenti altamente sofisticati permetta di individuare nuovi fenomeni. Questo risultato rappresenta solo l’inizio del ricco programma scientifico che ci aspetta nei prossimi anni per capire il comportamento dell'universo alle alte ed altissime energie, contribuendo a svelare la natura ultima della materia oscura, di cui sappiamo ancora molto poco” conclude Ambrosi. L’esperimento DAMPE è una missione per lo studio della radiazione cosmica di alta energia. Il rivelatore è stato progettato per misurare i flussi di elettroni, fotoni, protoni e nuclei, con una precisione e in un intervallo di energia maggiore degli esperimenti già attivi. L’importanza della misura di DAMPE è legata alla ricerca e allo studio delle sorgenti di elettroni e positroni ad energie del TeV, se siano oggetti di natura astrofisica - ad esempio pulsar - o se la loro presenza sia dovuta in parte alla materia oscura, come sembrerebbe possibile date le caratteristiche del flusso di positroni osservato fino a quelle energie dall’esperimento AMS-02. “DAMPE si inserisce in un programma di missioni spaziali, come Fermi e AMS-02, e di osservatori terrestri, CTA-MAGIC, AUGER e Advanced VIRGO, o sottomarini, come Km3net, che ha l’obiettivo di studiare tutti i messaggeri del cosmo. Sarà così possibile studiare le proprietà più nascoste dell’universo con un approccio fortemente sinergico” commenta Marco Pallavicini, presidente della commissione di fisica astroparticellare dell'INFN. Partito il 17 dicembre 2015 dalla base di lancio cinese Jiuquan Satellite Launch Center nel deserto di Gobi, il satellite orbita a una quota di circa 500 km, e da quasi due anni opera ininterrottamente per cercare indizi sulla sfuggente materia oscura nel flusso di raggi cosmici che dallo spazio giungono incessantemente sulla terra. Nei suoi primi 530 giorni di attività scientifica, fino all’8 giugno di quest’anno, DAMPE ha rivelato 1.5 milioni di elettroni e positroni cosmici con energie al di sopra dei 25 GeV, con un’elevata risoluzione energetica e con una bassa contaminazione da particelle di fondo, principalmente protoni, a livelli senza precedenti. Il principale obiettivo scientifico di DAMPE è proprio identificare possibili segnali della presenza di materia oscura studiando le caratteristiche delle particelle ordinarie misurate dal rivelatore che ha un cuore, il tracciatore al silicio, realizzato da ricercatori italiani con il coordinamento dell'INFN di Perugia.

Approfondimento: il satellite Dampe

Il satellite DAMPE è uno dei cinque progetti di missione spaziale del programma Strategic Pioneer Program on Space Science della CAS. Ha un peso complessivo di circa 1900 kg, di cui 1400 kg per l'esperimento scientifico. Una componente chiave del satellite è il tracciatore al silicio, realizzato dai ricercatori italiani con il coordinamento dell'INFN di Perugia, basandosi sull'esperienza e le competenze acquisite nel lavoro svolto per altri esperimenti spaziali come AMS-02. Per garantire l’affidabilità delle scelte costruttive e le prestazioni del rivelatore con i raggi cosmici, un modello di qualifica - del tutto analogo a quello impiegato in volo - è stato sottoposto prima del lancio a verifiche presso il CERN di Ginevra, nell’ambito di una campagna di test con fasci di elettroni, protoni e ioni, con il contributo essenziale di attrezzature ed esperienza della componente italiana della Collaborazione. DAMPE è in grado di misurare con grande accuratezza la direzione di arrivo delle particelle e dei fotoni cosmici e, allo stesso tempo, di differenziare le specie nucleari che compongono i raggi cosmici e la loro traiettoria. In particolare, misura elettroni e fotoni nell’intervallo di energie tra i 5 GeV (5 miliardi di elettronvolt) e i 10 TeV (diecimila miliardi di elettronvolt), così come è in grado di misurare il flusso di nuclei nell'intervallo tra 100 GeV e 100 TeV, fornendo quindi nuovi dati e indicazioni per capire l'origine e la propagazione dei raggi cosmici di alta energia.

Il ruolo dell’Italia

Il gruppo di scienziati italiani di DAMPE, con il coordinamento dell’INFN di Perugia, comprende ricercatori dell’INFN e delle Università di Perugia, Bari e del Salento, a Lecce. Il loro sforzo principale in questi quasi due anni dal lancio è stato l'analisi dati raccolti dal rivelatore in orbita. In particolare, oltre allo studio delle prestazioni del rivelatore ed il confronto con i dati presi nei test di qualifica presso il CERN, gli scienziati italiani hanno lavorato allo sviluppo di algoritmi per il riconoscimento delle diverse particelle (elettroni, fotoni, protoni, ioni). Attualmente, dopo la pubblicazione dei risultati sul flusso di elettroni e positroni, il gruppo italiano sta lavorando alla misura del flusso di protoni e ioni, e allo studio dei fotoni di alte energie.