Dall’esterno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) AMS-02 cerca segnali di anti-materia primordiale
Compie 10 anni l’Alpha Magnetic Spectrometer 02 (AMS-02), il più grande rivelatore di particelle operante nello spazio. Ospitato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), dove è stato trasportato e installato nel 2011, l’esperimento prosegue con successo la sua missione. Lo studio dei raggi cosmici, particelle elusive messaggeri dei fenomeni astrofisici energetici dell’Universo, è il suo obiettivo principale. Da questa campagna di ricerca si attendono preziose informazioni sulla composizione e sui meccanismi di evoluzione dell’Universo e sull’origine della materia oscura che pervade la nostra galassia.
Tra i membri della collaborazione internazionale responsabile di AMS-02 c’è anche l’Italia che, attraverso l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha svolto un ruolo di primo piano nella progettazione dello strumento, e continua tutt’oggi a supportare le attività di acquisizione e analisi dati. Una lunga vita quella di AMS-02 che ha richiesto un inaspettato quanto straordinario intervento di manutenzione non programmata, realizzato dagli astronauti. Lo strumento, posizionato al di fuori della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) ha richiesto una serie di attività extraveicolari (EVA) che hanno avuto tra i protagonisti l’astronauta italiano dell’ESA, Luca Parmitano. Interventi che hanno consentito di estendere le attività almeno fino al 2028.
Composto da un rivelatore da 7,5 tonnellate dotato di circa 300'000 sensori, AMS-02 rappresenta una missione scientifica di assoluta frontiera, in quanto sfrutta, in un ambiente ostile come quello spaziale, diverse tecnologie sviluppate a terra all’interno dei laboratori dedicati alla fisica delle particelle. Tra i principali obiettivi scientifici della missione spicca la ricerca di possibili tracce di antimateria primordiale e segnali di materia oscura provenienti dalla nostra galassia. AMS-02 misura con un’accuratezza mai raggiunta prima la composizione e l’abbondanza dei raggi cosmici (messaggeri dell’Universo insieme a fotoni, neutrini e onde gravitazionali) che investono costantemente l’atmosfera della Terra con energie fino ad alcuni TeV (“tera-elettronvolt”), energie simili a quelle raggiunte dall’acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.
Nel corso dei suoi primi dieci anni di vita AMS-02 ha raccolto oltre 170 miliardi di particelle cosmiche misurandone le proprietà per investigare diverse questioni ancora irrisolte della fisica fondamentale, quali l’esistenza di antimateria primordiale nello spazio e la natura della materia oscura. La maggior parte dei raggi cosmici, circa il 99%, è formato da materia “ordinaria” come protoni e nuclei di elio. Il resto è composto da nuclei pesanti, elettroni e particelle di antimateria. Le particelle di antimateria si presentano con carica elettrica opposta a quella ordinaria: come nel caso del protone, di carica positiva, e dell’antiprotone, con carica negativa. Grazie al suo potente magnete, AMS-02 può distinguere particelle di antimateria da quelle di materia, e quindi misurare con precisione anche la rarissima componente di antimateria nei raggi cosmici, in particolare positroni e antiprotoni. Le deformazioni nello spettro energetico di queste particelle potrebbero infatti contenere informazioni sulla natura della materia oscura che pervade la nostra galassia. Il campo magnetico di AMS-02 permette anche di identificare particelle di antimateria pesante, come nuclei di anti-elio, ad oggi mai misurate nello spazio e la cui osservazione rappresenterebbe una scoperta solida di antimateria di origine cosmologica.
Con l’analisi dei dati raccolti nei primi 10 anni di operazioni, la collaborazione AMS-02 ha già prodotto una serie di osservazioni e risultati scientifici che sono stati pubblicati nelle più prestigiose riviste del settore. I risultati, accessibili anche attraverso il Cosmic Ray Database del centro ASI-SSDC, vengono continuamente utilizzati dalla comunità scientifica per comprendere i meccanismi di evoluzione dell’Universo, dell’origine dei raggi cosmici e della loro propagazione.
“Le misure di AMS-02 hanno migliorato la conoscenza delle proprietà dei raggi cosmici e permesso una maggiore comprensione delle origini e della propagazione delle particelle cosmiche” ricorda Barbara Negri, responsabile dell’Unità Volo Umano e Sperimentazione Scientifica presso la Direzione Scienza e Ricerca di ASI. “A seguito dell’intervento effettuato da Luca Parmitano, AMS-02 potrà continuare a raccogliere dati nei prossimi anni per svolgere questa ambiziosa ricerca scientifica.”
“Nei suoi primi dieci anni di funzionamento, AMS-02 ha rivoluzionato la misura diretta dei flussi di raggi cosmici, producendo misure di una precisione prima mai raggiunta”, commenta Paolo Zuccon, docente dell’Università di Trento, membro dell’INFN-TIFPA e responsabile nazionale di AMS-02. ”Lo strumento continuerà a prendere dati almeno fino al 2028 e grazie al suo potente magnete raccoglierà misure delle particelle di anti-materia cosmica che possono aprire la porta a nuove scoperte“.
AMS-02 è anche una comunità di scienziati provenienti da 16 paesi nel mondo, una collaborazione guidata da Samuel Ting (qui l'intervista rilasciata all'INFN), professore del Massachusetts Institute of Technology e premio Nobel per la fisica nel 1976. A dimostrazione dell’importante ruolo svolto anche dal nostro paese, il numero degli scienziati italiani impegnati nell’esperimento, che raggiunge quasi un quinto del totale. L’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sostengono la collaborazione dal 1995, nell'ambito di una collaborazione internazionale che comprende istituti di ricerca e università in America, Europa e Asia. I ricercatori italiani delle sedi INFN di Bologna, Milano, Perugia, Pisa, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata e Trento sono responsabili della realizzazione, del mantenimento e delle operazioni dei principali strumenti di bordo, e partecipano in prima persona all’analisi scientifica dei dati raccolti dallo strumento. ASI ha supportato i ricercatori nelle fasi di sviluppo e realizzazione di AMS-02 e contribuisce oggi al sostegno delle attività di operazione dello strumento e di analisi dati, svolte dai ricercatori della Direzione Scienza e Ricerca (ASI-DSR) e presso lo Space Science Data Center (ASI-SSDC).
Il rivelatore AMS-02 è stato portato in orbita nel maggio 2011 con la penultima missione dello Space Shuttle, la STS-134 Endeavour. Tra i membri dell’equipaggio della missione ricordiamo l’astronauta italiano dell’Agenzia Spaziale Europea Roberto Vittori, che ha anche manovrato il braccio meccanico responsabile del trasferimento di AMS-02 dalla stiva dello Space Shuttle alla struttura della ISS.
Per maggiori approfondimenti:
Intervista a Paolo Zuccon, responsabile nazionale AMS-02 per l'INFN: https://www.youtube.com/watch?v=dCzyxdZ_F1w
Intervista a Bruna Bertucci, vice-responsabile internazionale AMS-02: https://www.youtube.com/watch?v=oN4Tfpu0FjM