AMS: Italia in prima fila alla ricerca della Materia Oscura

AMS: Italia in prima fila alla ricerca della Materia Oscura

COS’E’ L’ANTIMATERIA – Tutta la materia che ci circonda, dai nostri corpi fino ai più remoti pianeti, è costituita da atomi: sistemi composti da particelle di carica negativa, gli elettroni, orbitanti attorno ad un nucleo centrale di carica elettrica positiva. Ma è stato sempre così? Questo quesito è all’origine di uno dei problemi più affascinanti della fisica moderna, tanto da costituire una sorta di “arca dell’alleanza” degli scienziati. Le leggi matematiche con cui i fisici descrivono la struttura dell’atomo prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche un’altra forma di materia: la cosiddetta antimateria formata da antiparticelle del tutto identiche a quelle che ci circondano salvo per il fatto di avere cariche opposte.
L’antimateria comprende ad esempio antielettroni, uguali agli elettroni ma dotati di carica elettrica positiva, antinuclei dotati di carica negativa, e così via. Queste antiparticelle sono prodotte quasi quotidianamente nei laboratori di alte energie. Eppure nell’Universo che conosciamo non c’è traccia di antiatomi e, ancor meno, di una sorta di mondo alla rovescia, con pianeti e galassie fatti di antimateria. Da quasi 50 anni fisici e cosmologi sono impegnati a capire perché attualmente l’antimateria sia quasi totalmente assente, ma se saranno confermati i risultati dell’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), che avrebbe visto la più alta concentrazione di antimateria ad alta energia nello Spazio mai osservata fino ad oggi, per la scienza sarà una nuova rivoluzione. (Fonte: Scienza per tutti, sito dell’Istituto di fisica nucleare).


Come in ogni conferenza stampa scientifica sui risultati preliminari di una grande collaborazione come AMS-02 – 16 paesi e oltre 600 scienziati coinvolti – la prudenza è d’obbligo. Samuel Ting ci è andato, come ci si aspettava, con i piedi di piombo: si tratta solo dei primi risultati, il meglio deve ancora venire. Ma questi primi riscontri, pubblicati sulla Physics Review Letters, vanno in una direzione precisa: il modello WIMP sembra funzionare. Di cosa parliamo? Le WIMP sono oggi le indiziate numero uno nella caccia alla materia oscura. Acronimo di weakly interacting massive particles, particelle massicce debolmente interagenti, sono delle ipotetiche particelle che interagiscono pochissimo con la materia ordinaria, quella cosiddetta “barionica”, di cui sono composte le stelle, i pianeti, e noi stessi.

Le WIMP sono così scarsamente interagenti, che probabilmente sfrecciano continuamente attraverso il nostro corpo senza che ce ne accorgiamo. Succede anche con i neutrini, che però non sono WIMP, ma semplici WIP: non sono massive, massicce. I neutrini possiedono una massa infinitesimale, quasi pari a zero (e qualcuno sospetta che la loro massa sia proprio zero). Diversamente, le WIMP pesano. Proprio il loro peso permette di osservare gli effetti che producono su larga scala: anche se non emettono radiazione elettromagnetica, e quindi non sono visibili con i nostri telescopi, curvano lo spazio-tempo esattamente come fa la materia barionica. Producono cioè effetti gravitazionali osservabili su scala galattica.

Il mistero dei positroni
Se davvero sono così difficilmente acciuffabili, come facciamo a individuarle? Qui sta il dramma. AMS-02 scruta l’universo in cerca di indizi indiretti delle WIMP. Pur essendo un fenomeno rarissimo, una WIMP e una anti-WIMP, cioè una particella di anti-materia oscura, potrebbero scontrarsi. Da questo scontro verrebbero prodotte, secondo i modelli teorici, due nuove particelle: l’elettrone e il positrone, che è l’anti-particella dell’elettrone. Potremmo quindi cercare prove di questi scontri rarissimi, e per farlo l’esperimento AMS-02 analizza i raggi cosmici. “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”, spiega Roberto Battiston, vice-direttore della collaborazione internazionale. “In assenza di altri meccanismi di produzione di positroni, la frazione di positroni sugli elettroni dovrebbe scendere al crescere dell’energia”. Eppure, non è così.

Difatti, alcuni altri rilevatori di raggi cosmici, come le sonde PAMELA e FERMI, avevano già scoperto negli anni scorsi che al crescere dell’energia i positroni aumentano, invece di diminuire. In particolare, al di sopra dei 10 GeV (gigaelettronvolt) “il rapporto tra positroni ed elettroni comincia a crescere in modo marcato, indizio della presenza di una nuova fisica in grado di produrre un significativo eccesso di positroni rispetto ai meccanismi convenzionali”.


E qui entrano in gioco le WIMP: potrebbero essere infatti proprio loro le responsabili di questo eccesso di positroni, prodotto del loro scontro con particelle di anti-materia oscura. Un’altra ipotesi, più banale, è che i positroni siano prodotti in eccesso da stelle pulsar. Al momento non è possibile dire quale dei due modelli sia veritiero, sostiene Ting. Ma molti scienziati sono pronti a scommettere sulla materia oscura.


“I dati di AMS sono una interessantissima conferma – con precisione maggiore – dei dati rilevati dagli esperimenti spaziali Pamela e Fermi in questi ultimi anni”, commenta il presidente dell’INFN, Fernando Ferroni. “Una conferma che non risolve certo il rebus dell’antimateria in eccesso. Ma che indica come i dati dei due esperimenti (anche questi a fortissima presenza italiana) avessero visto giusto nel rivelare questa anomalia. Che sia o meno materia oscura non può che dirlo un ulteriore sforzo per produrre nuovi dati e analizzarli”. Del resto, c’è anche un grosso ma. Le WIMP sono una categoria di particelle ipotetiche, una delle quali, ritenuta la più plausibile per il ruolo di componente della materia oscura, è il neutralino. Il neutralino è una particella davvero curiosa, composta da un fotino, uno zino e due higgsini. Se non avete mai sentito questi nomi, non è colpa vostra: nessuno sa se esistano davvero. Si tratta infatti di particelle supersimmetriche, ossia partner più “pesanti” (per questo definiti ‘super’) di particelle ordinarie, rispettivamente il fotone, il bosone Z e il bosone di Higgs. Ma finora tutti gli esperimenti per individuare l’esistenza di particelle supersimmetriche, previste dalla teoria, non hanno dato esiti positivi. Il neutralino, dunque, potrebbe non esistere. In tal caso, il modello delle WIMP perderebbe parecchi punti.

C’è insomma ancora parecchio da scoprire. L’ottimismo resta tuttavia forte: AMS-02 ha dimostrato che l’eccesso di positroni non è un errore statistico, esiste e va spiegato. Successive analisi permetteranno di confermare o scartare il ruolo delle pulsar. L’esperimento ha una durata operativa che può arrivare fino a 20 anni, per cui siamo appena all’8% della storia, ricordano gli addetti ai lavori. L’Italia, intanto, può festeggiare. Ancora una volta la ricerca di frontiera è firmata dal nostro paese, che con l’INFN e l’ASI ha portato alla realizzazione dei principali strumenti di rivelazione a bordo di AMS-02.

(fonte: FANPAGE)

Anche l’amministratore delegato della Nasa Charles Bolden si ritiene soddisfatto dei risultati ottenuti. E in un comunicato afferma: "I risultati riportati da AMS sulle particelle cosmiche ci annunciano oggi come questi potranno contribuire a promuovere una nuova comprensione dei campi della fisica fondamentale e dell’astrofisica. Sono certo che questa è solo la prima di molte scoperte scientifiche attivate dalla stazione che cambieranno la nostra comprensione dell’universo”.


DI SEGUITO UN ESTRATTO DEI RISULTATI PUBBLICATI SU Physical Review Letters.


Antimatter is rare in the universe today. As far as we know, all relic antimatter produced in the big bang disappeared long ago in annihilation reactions with matter particles. What this means is that any antimatter particles that we can detect in the flux of energetic cosmic rays near Earth must have been created by “new” sources within our Milky Way Galaxy. (Antimatter particles from extragalactic sources are also conceivable, but they are exceedingly unlikely to make it to Earth before losing all their energy or annihilating.) Because there is a limited amount of energetic antimatter from space raining down upon the Earth, antiparticles serve as unique messengers of high-energy phenomena in the cosmos, or signatures of exotic new physics.

Now, an eagerly anticipated survey of cosmic-ray positrons—the antiparticle of the electron—is being reported in Physical Review Letters by the collaboration running the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), a particle detector experiment on board the Earth-orbiting International Space Station [1]. In the first scientific report from the AMS, an experiment 18 years in the making that began taking data in May 2011, the collaboration presents a measurement of the “positron fraction,” the ratio of the number of positrons to the total number of electrons plus positrons, at energies between 0.5 and 350 giga-electron-volts (GeV) (Fig. 1). The 400,000 positrons they have measured constitute the largest set of cosmic-ray positron data, increasing the total world sample a hundredfold. In addition, the range of the reported positron fraction extends out to a few hundred GeV, beyond the reach of previous experiments flown on high-altitude balloons [2] or space shuttles and satellites [3] (see 5 January 2012 Synopsis). The features in the AMS’s positron distribution are a striking confirmation—with unprecedented statistical detail—of what has been reported previously by satellite experiments: an excess of positrons over what we expect from known galactic energetic phenomena. There is a tantalizing—and much touted—possibility that this excess could be a signature of dark matter, though it’s much too soon to rule out more prosaic explanations.

continua…

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