AMS: i primi risultati della caccia all'antimateria

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Diffusi oggi i primi risultati di AMS, il gigantesco spettrometro che opera da 18 mesi sulla Stazione spaziale internazionale. L'analisi di 25 miliardi raggi cosmici primari riguarda un sorprendente fenomeno legato a una nuova fisica: l'aumento della frazione di positroni (le antiparticelle dell'elettrone) rispetto agli elettroni al crescere dell'energia. Il risultato, benché non conclusivo, è coerente con l'ipotesi che i positroni provengano dalla annichilazione di particelle di materia oscura

Il 19 maggio 2011 in molti hanno seguito con il fiato sospeso la straordinaria operazione del trasferimento di AMS, uno strumento di 7,5 tonnellate, mentre passava dal braccio robotico dello Shuttle al braccio robotico della Stazione, orbitando a 28.000 km/h mentre la terra scorreva veloce sullo sfondo.

AMS è il più sensibile strumento spaziale per lo studio della fisica delle particelle.


Dal suo punto di osservazione ~ 400 km sopra la Terra, l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) misura raggi cosmici primari che attraversano il rivelatore.

Da allora AMS ha iniziato a misurare i raggi cosmici primari, le particelle elementari di alta energia provenienti dalle profondità del cosmo e che non possono essere osservate dalla terra perchè vengono fermate dall’ atmosfera. Gli strumenti di AMS permettono la misura dei raggi cosmici di alta energia, fino a migliaia di miliardi di elettronVolt.

Al ritmo di 15 miliardi di raggi cosmici all’anno, in media 500 al secondo, AMS ha continuato a raccogliere dati senza mai fermarsi. A differenza degli acceleratori del CERN, gli acceleratori cosmici, oggetti grandi quanto un pezzo di galassia, non si fermano mai. Oggi AMS presenta al CERN i primi risultati, ottenuti con i dati raccolti nei primi 18 mesi di presa dati, circa 25 miliardi di particelle, misurate accuratamente ad una ad una e analizzate con potenti supercomputers per determinarne con precisione le proprietà. L’articolo è uscito oggi su un numero speciale di Physics Review Letters.

La prima misura di AMS riguarda un fenomeno sorprendente che da alcuni anni è oggetto di grande interesse da parte della comunità scientifica internazionale, vale a dire l’aumento, al crescere dell’ energia, della frazione di positroni, l’antiparticella dell’ elettrone, rispetto agli elettroni.

Nei primi 18 mesi di operazioni nello spazio, dal 19 maggio 2011 al 10 dicembre 2012, AMS ha raccolto e analizzato 25 miliardi raggi cosmici primari. Tra questi, 6,8 milioni di eventi, il campione statistico più grande mai raccolto nello spazio, sono stati identificati in modo inequivocabile come elettroni e la loro controparte di antimateria, i positroni. Questi 6,8 milioni di particelle, registrate nell’intervallo di energia compreso tra 0,5 e 350 GeV, sono alla base della misura di precisione di AMS.

Elettroni e positroni sono identificati e selezionati rispetto al fondo rappresentato dai numerosissimi protoni grazie alle misure accurate e ridondanti ottenute dai vari strumenti che compongono AMS. I positroni, la componente più rara, sono identificati senza incertezze grazie alla capacità di AMS di ridurre di un milione di volte il fondo di protoni. Al momento attuale, il numero totale di positroni identificati da AMS, oltre 400.000, è il più grande campione di particelle di antimateria di alta energia misurate direttamente nello spazio.

AMS ha misurato la frazione di positroni (rapporto tra il flusso di positroni al flusso combinato di positroni ed elettroni) nell’intervallo di energia 0,5-350 GeV; mentre tra 0,5 e 10 GeV la frazione di positroni continua a diminuire come atteso dai modelli che descrivono i raggi cosmici nella nostra galassia, tra 10 GeV e ~ 250 GeV essa aumenta marcatamente, come è stato osservato in passato, in particolare dall’esperimento Pamela.

Grazie alla precisione dei dati raccolti da AMS, per la prima volta è però possibile determinare che il tasso di crescita con l’energia diminuisce di dieci volte tra 20 e 250 GeV. Ad energie superiori a 250 GeV lo spettro sembra appiattirsi, come se avesser raggiunto un valore limite e iniziasse a scendere: per studiarne il comportamento al di sopra di 250 GeV è però necessario aumentare ulteriormente la statistica cosa che AMS farà nei prossimi anni.


La frazione di positroni misurata da AMS dimostra un eccellente accordo con il semplice modello discusso nell’articolo. Grazie alla elevatissima statistica raccolta da AMS, 6,8 milioni di eventi, e la precisione della misura in energia, la frazione di positroni non mostra alcuna struttura fine nello spettro. Questo particolare andamento con l’energia della frazione di positroni, è indice della presenza di un fenomeno dovuto a nuova fisica

Lo spettro della frazione di positroni non presenta però nessuna struttura né in funzione dell’ energia, né del tempo, né evidenza di anisotropia angolare, indicazione del fatto che i positroni di alta energia non provengono da una direzione preferenziale dello spazio.

La forma esatta dello spettro mostrato in figura, una volta che la misura sarà esteso da AMS ad energie più alte, potrà dire se questo andamento è dovuto alla collisione di particelle di materia oscura o alla presenza di pulsar nella galassia. La grande precisione dei risultati ottenuti con i dati dei primi 18 mesi suggerisce che AMS potrà affrontare e risolvere questo problema con in dati che verranno raccolti in futuro.

Negli ultimi due decenni c’è stato molto interesse relativamente alla frazione di positroni nei raggi cosmici primari, sia da parte dei fisici delle particelle che degli astrofisici. Il motivo alla base di questo interesse è il fatto che misurando il rapporto tra positroni ed elettroni e identificando un eventuale comportamento anomalo della dipendenza dall’ energia di questa quantità, si può giungere ad una migliore comprensione dell’origine della materia oscura o della presenza di altri nuovi fenomeni fisici.

Il primo risultato AMS è stato ottenuto confrontando diversi modelli fenomenologici, uno dei quali è descritto nell’articolo e mostrato nella figura. Questo modello comprende una componente diffusa di elettroni e positroni, prevista da meccanismi tradizionali, oltre ad una componente dovuta ad una nuova sorgente di elettroni e positroni. Esso si adatta sorprendentemente bene ai dati AMS. Questo accordo tra i dati ed il modello indica che lo spettro della frazione di positroni è compatibile con un flusso di elettroni e un flusso di positroni ciascuno dei quali è la somma del relativo spettro diffuso e di una singola fonte comune, di alta energia. In altre parole, una parte significativa degli elettroni e dei positroni di alta energia provengono da una fonte comune la cui origine è sconosciuta.

AMS è un sofisticato spettrometro magnetico in grado di esplorare nuova fisica grazie alla sua precisione di misura, alla quantità di dati che è in grado di raccogliere, all’ intervallo di energie che può esplorare, alla capacità di identificare con precisione le particelle elementari e i diversi tipi di nuclei e alla lunga durata della sua missione nello spazio. Come mostrato nella figura seguente, la precisione di AMS e l’alta statistica raccolta in questi 18 mesi, permette di distinguere nettamente l’ andamento in funzione dell’ energia della frazione di positroni da quella riportata dagli esperimenti precedenti.


Un confronto dei risultati AMS con le misure pubblicate recentemente da altri esperimenti. Con il suo magnete, i suoi precisi rivelatori di particelle e l’alta precisione statistica, il primo risultato di AMS, basato solo su circa l’ 8% dei dati previsti, si distingue nettamente dai precedenti esperimenti (vedi referenze).

AMS è il risultato di 18 anni di lavoro di centinaia di ricercatori provenienti da tutto il mondo. La Collaborazione comprende 16 paesi in Europa, Asia e Nord America (Finlandia, Francia, Germania, Italia, Paesi Bassi, Portogallo, Spagna, Svizzera, Romania, Russia, Turchia, Cina, Corea, Taiwan, Messico e Stati Uniti) sotto guida del premio Nobel Samuel Ting, del MIT.

Come vice responsabile di AMS, questo esperimento rappresenta per me un pezzo fondamentale della mia vita professionale, e non solo. Si è trattato di una lunga esperienza spesso entusiasmante, talvolta difficile, che ho raccontato su Le Scienze e che è stata condivisa con i molti ricercatori,ingegneri, tecnici, dottorandi e studenti italiani che hanno lavorato in AMS nel corso di questi anni nelle sedi Universitarie e INFN di Milano Bicocca, Bologna, Perugia, Pisa, Roma “Sapienza” e Trento. La partecipazione dell’ Italia ad AMS, sostenuta con continuità dall’INFN e dall’ ASI e che ha visto anche la partecipazione dell’ industria nazionale, è stata determinante per la progettazione e realizzazione degli strumenti per la misura dei raggi cosmici, per il mantenimento in funzione dello strumento in orbita nonchè per la gestione e l’analisi della grande mole di dati raccolti.


La Stazione Spaziale Internazionale rappresenta una straordinaria piattaforma di osservazione per lo spettrometro magnetico AMS, offrendo caratteristiche uniche per lo studio di fenomeni in fisica fondamentale che non sono osservabili dalla Terra. Le particelle elementari cariche e i raggi gamma ad alta energia vengono assorbiti dall’atmosfera terrestre. AMS opererà nello spazio per l’intera durata della vita della Stazione Spaziale.

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