Nuova evidenza di un eccesso di antiparticelle nei raggi cosmici

I risultati della collaborazione internazionale Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), il cacciatore di antimateria installato dal 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), saranno da oggi al centro della tre giorni “AMS giorni al CERN”, che vede coinvolti alcuni tra i più importanti fisici teorici e sperimentali a livello mondiale tra cui i responsabili dei più importanti esperimenti dedicati allo studio della fisica dei raggi cosmici. L’obiettivo primario delle giornate è comprendere il significato dei più recenti risultati di AMS e confrontarlo con quelli degli altri esperimenti e con le teorie oggi più accreditate sulla fisica dei raggi cosmici.
In particolare, AMS presenta la nuova misura di precisione del rapporto tra il flusso di antiprotoni e di protoni nei raggi cosmici, risultato che mostra per la prima volta una inattesa abbondanza di antiprotoni ad energie di centinaia di GeV. Questa misura risulta complementare alla misura di precisione del flusso di antielettroni (positroni) pubblicata da AMS nel 2014, che evidenzia anch’essa un eccesso di antimateria ad alta energia. L’inaspettata abbondanza dell’antimateria nei raggi cosmici di alta energia potrebbe essere dovuta ad un nuovo fenomeno fisico di tipo fondamentale. Saranno inoltre presentate le misure di precisione del flusso di protoni e di nuclei di elio fino a energie superiori al teraelettronvolt.
Gli attuali modelli delle interazioni dei raggi cosmici ordinari con la materia interstellare non possono spiegare questi nuovi risultati di AMS: queste osservazioni forniscono informazioni importanti sui meccanismi di produzione e di propagazione dei raggi cosmici. Anche se non è ancora possibile escludere che i risultati siano riconducibili all’esistenza di nuove sorgenti astrofisiche o a nuovi meccanismi di accelerazione e propagazione, tuttavia i più recenti risultati di AMS potrebbero essere interpretabili come l’effetto di collisioni tra particelle di materia oscura, e quindi una possibile evidenza indiretta della sua esistenza e della sua natura particellare.

AMS, al quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), è l’unico esperimento di fisica delle particelle presente sulla ISS e il suo livello tecnologico è tale da permetterne la lunga permanenza nell’ambiente ostile dello spazio. Nei suoi primi quattro anni di orbita, agganciato esternamente alla Stazione Spaziale, il rivelatore ha raccolto più di 60 miliardi di eventi di raggi cosmici (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni e nuclei di elio, litio, boro, carbonio, ossigeno, …) fino a energie dell’ordine del TeV.

“Siamo eccitati per questi risultati che presentano un quadro difficilmente interpretabile nell’ambito della fisica tradizionale dei raggi cosmici. Questo straordinario rivelatore che opera nello spazio e al quale l’Italia ha contribuito in maniera molto significativa anche grazie al ruolo dell’industria nazionale, ci sta portando, con l’estensione dei risultati già ottenuti dal rivelatore spaziale PAMELA e raggiungendo energie molto più alte, alla soglia di una possibile importante scoperta. Aspettiamo con trepidazione i futuri risultati”, è il commento di Fernando Ferroni, presidente dell’INFN.

L’identificazione diretta di antimateria, in particolare di positroni e antiprotoni, nella radiazione cosmica è determinante per lo studio di fenomeni non ancora noti. Piccole quantità di antimateria, infatti, possono essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma i primi risultati di AMS su elettroni e positroni, già pubblicati sulla rivista Physical Review Letters nel settembre del 2014, indicano l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica. Durante la tre giorni al CERN, insieme a nuovi risultati sulle misure del rapporto tra anti-protoni e protoni, sul flusso di protoni, nuclei di elio e altri nuclei, saranno discussi anche risultati più precisi e a più alta energia sulla componente a elettroni e positroni.

“Quando 20 anni fa ho fondato assieme al premio Nobel Sam Ting l’esperimento AMS ero sicuro che avremmo scoperto qualcosa di interessante ma non avrei mai immaginato gli straordinari risultati che abbiamo presentato oggi al CERN. AMS è un caso di eccellenza italiana nel settore della ricerca internazionale, gran parte degli strumenti che permettono per la prima volta la misura di precisione dell’antimateria nei raggi cosmici sono stati ideati e sviluppati nei laboratori dell’INFN all’interno dell’Università e dell’industria nazionale con il contributo fondamentale dell’ASI. L’eccesso di antiprotoni presentato oggi al CERN si aggiunge a quello di positroni pubblicato in precedenza da AMS, rendendo sempre più plausibile l’ipotesi che stiamo osservando un nuovo processo fisico fondamentale”, è il commento di Roberto Battiston, Presidente dell’ASI e fino a pochi mesi fa vice-responsabile della Collaborazione AMS .

Per comprendere estensivamente questi risultati è necessaria una conoscenza approfondita del processo coinvolto nelle collisione di raggi cosmici. Il confronto delle osservazioni di AMS con i risultati dei principali esperimenti per lo studio dei raggi cosmici (IceCube, Pierre Auger Observatory, Fermi-LAT, Magic, Hess e CTA, JEM-EUSO e ISS-CREAM) fornirà importanti contributi alla comprensione della produzione di raggi cosmici e dei loro meccanismi di propagazione.
AMS continuerà a operare per tutta la vita della Stazione Spaziale Internazionale, fino al 2024, raccogliendo e analizzando un volume crescente di dati a energie più elevate e rendendo così disponibile una ingente quantità di informazioni.

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 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, presidente dell’ASI e fino a pochi mesi fa vice-responsabile 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.