Materia Oscura: l’annuncio del Cern e i risultati di AMS

In uno studio su Physical Review Letters i risultati dei primi 18 mesi di lavoro di AMS, il cacciatore di antimateria che ha misurato come il rapporto tra positroni ed elettroni cambia al variare dell’energia, un possibile indizio dell’azione della materia oscura. I dati di AMS sono più precisi di quelli di PAMELA e Fermi, ma è presto per dire se nascondano nuovi fenomeni fisici. Lo racconta Roberto Battiston (INFN).

Una misura di precisione del rapporto tra positroni ed elettroni nei raggi cosmici è stata pubblicata oggi su Physical Review Letters dalla Collaborazione AMS, utilizzando i dati raccolti nei primi 18 mesi di operazioni dallo spettrometro magnetico AMS-02, il “Cacciatore di Antimateria” installato sulla Stazione Spaziale Internazionale nel maggio del 2011.

Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone, prevista da Paul Dirac nel 1929 e scoperto da Carl Anderson nel 1932. Nei raggi cosmici i positroni sono presenti a livello di parti per mille, e la loro presenza è spiegata come conseguenza delle interazioni dei raggi cosmici primari con il materiale interstellare. In assenza di altri meccanismi di produzione di positroni la frazione di positroni sugli elettroni (circa il 10% a 1 GeV) dovrebbe scendere al crescere dell’ energia. Negli ultimi 20 anni c’è stato molto interesse da parte della comunità scientifica nei riguardi del modo in cui il rapporto tra positroni ed elettroni cambia con l’energia. Essendo i positroni una componente rara dei raggi cosmici, la loro frazione percentuale è molto sensibile a fenomeni di cosiddetta “nuova fisica” (legati alla materia oscura, alla supersimmetria e a tutto quanto non rientra nel Modello Standard della fisica delle particelle). Nel corso degli ultimi 20 anni si è stabilito con sempre maggiore evidenza che al di sopra di 10 GeV il rapporto tra positroni ed elettroni comincia a crescere in modo marcato, indizio della presenza di nuova fisica in grado di produrre un significativo eccesso di positroni rispetto ai meccanismi convenzionali.

La misura di AMS-02 per la prima volta copre, con i dati di un singolo esperimento e con una precisione molto migliore che nel passato, l’intervallo di energia tra 0.5 GeV e 350 GeV e mette in evidenza come la la frazione anomala di positroni cresca senza interruzione da 10 a 250 GeV. Ma il ritmo a cui questa frazione anomala di positroni cresce si riduce di 10 volte tra 10 e 250 GeV. Questo comportamento non è spiegabile con la sola produzione secondaria di positroni nelle collisioni dei raggi cosmici ordinari, ed è una indicazione del fatto che il nuovo processo fisico che causa la crescita dei positroni raggiunge un valore limite oltre il quale questa frazione rimane costante o addirittura può iniziare a scendere. Quanto al comportamento al di sopra di 250 GeV, diverrà più chiaro una volta che AMS-02 avrà accumulato più statistica, cosa che permetterà anche un miglioramento dell’ errore sistematico.

Per quanto riguarda la dipendenza dall’energia della frazione anomala di positroni tra 10 e 350 GeV la grande precisione dei dati di AMS-02, con una calibrazione energetica accurata al 2%, permette di affermare che non ci sono strutture fini in questo intervallo di energie. Anche la misura dell’ anisotropia di questo nuovo fenomeno, presentata per la prima volta in questo articolo, non mostra anisotropie apprezzabili con una precisione del 3.6%.

I dati presentati in questo articolo sono derivati dall’analisi di più di 25 miliardi di eventi, che rappresentano circa l’8% dei dati che AMS raccoglierà nel corso di una missione sulla ISS che potrà estendersi per circa 20 anni.

L’osservazione che la frazione dei positroni cresce con l’energia è stata riportata da altri esperimenti in precedenza, in particolare da PAMELA e Fermi. Come si può vedere dalla Figura 3 la precisione di AMS-02 e l’alta statistica disponibile forniscono una misura di precisione dell’ andamento della frazione di positroni che si distingue chiaramente da quelle precedenti. L’esperimento AMS-02 ha caratteristiche uniche per risoluzione, statistica accumulata e intervallo di energia per potere fornire informazioni accurate relativamente al nuovo fenomeno osservato. La precisione di AMS permetterà in futuro di capire se la nuova sorgente di positroni è l’effetto di una o più pulsar che immettono plasma di alta energia nello spazio interstellare o se si tratti invece delle tracce dell’annichilazione di particelle di materia oscura, il tipo di materia invisibile di cui è composto circa il 24% del nostro universo.

Lo Spettrometro Magnetico Alpha (AMS-02) è uno strumento sviluppato da una collaborazione internazionale, sponsorizzata dal Dipartimento dell’ Energia Americano, (DoE), e comprendente istituzioni in Cina, Finlandia, Francia, Germania, Italia, Portogallo, Spagna, Svizzera, Stati Uniti e Taiwan. In particolare i rivelatori di particelle che compongono AMS-02 sono stati realizzati in Europa, il magnete permanente è stato realizzato in Cina e l’elettronica qualificata per lo spazio è stata realizzata a Taiwan. L’integrazione dell’ esperimento è stata realizzata al CERN, Ginevra e i test di qualifica spaziale sono stati realizzati all’ ESA-ESTEC, Norwijk, e all’ INFN-SERMS, Terni.

L’Italia con l’ INFN e l’ ASI ha partecipato alla realizzazione di AMS-02 fin dalle prime fasi: i ricercatori italiani, complessivamente circa 50 persone, delle Sezioni INFN e Dipartimenti di Fisica di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Pisa, Roma e Trento hanno avuto la responsabilità della realizzazione dei principali strumenti per l’identificazione delle particelle nello spazio, il Tracciatore al Silicio, il sistema di Tempo di Volo, il Calorimetro Elettromagnetico, il Rivelatore ad Anelli Cerenkov e i Tracciatori Stellari, del trasferimento dei dati, della calibrazione dello strumento nonchè di parti importanti dell’ analisi dati.

AMS-02 è stato lanciato dalla NASA l’ 11 Maggio 2011, alle 8:56 AM EDT, nella missione STS134 dello Shuttle Endeavour.

La lista completa dei membri della Collaborazione AMS, la descrizione dell’esperimento e delle sue fasi di sviluppo si trovano sulla pagina della missione.