Dai campi di internamento per giapponesi all'astrofisica extragalattica: la strana storia della città di Delta. 3) Telescope Array ed il mistero dei raggi cosmici di ultra-alta-energia

In due post precedenti abbiamo accennato che - dal 1942 - tutti i  giapponesi residenti negli Stati Uniti furono sfollati in campi di internamento. Uno di questi era Topaz, sito nello Utah, vicino alla città di Delta. Con la fine della guerra i prigionieri tornarono alle loro vite anche se la maggior parte aveva perso tutti i loro averi.  Più di sessanta anni dopo, i deserti dello Utah videro tornare i giapponesi: questa volta non come prigionieri ma a capo di Telescope Array, uno degli esperimenti di punta di fisica dei raggi cosmici. 

Pianta di Telescope Array: i rivelatori di terra coprono
un'area di circa 750 km^2. I 3 rivelatori di fluorescenza sono
indicati dai pallini rossi. La posizione del campo
di internamento Topaz è mostrata in scala.

Telescope Array è una enorme installazione di rivelatori di raggi cosmici di ultra-alta energia. Ciascuna di queste particelle elementari ha la stessa energia di una palla da baseball: entrando nell’atmosfera si disintegra in miliardi di frammenti di energie più basse.  Una parte minima di queste particelle, per lo più muoni, i fratelli più pesanti degli elettroni, riesce a raggiungere il suolo e viene rivelata dai contatori a scintillazione disposti con regolarità nell'arida pianura (sono i puntini neri nella mappa accanto). Un'altra componente delle particelle secondarie è emessa sotto forma di luce di fluorescenza: una fioca luce ultravioletta che è osservata da migliaia di sensori che registrano il tempo di arrivo e di transito nell'atmosfera.  

Schema di rivelazione del rivelatore di fluorescenza
per  raggi cosmici di Ultra-alta energia
(UHECR, Ultra-High-Energy-Cosmic-Ray).
La particella si disintegra nell'atmosfera emettendo luce
di fosforescenza nell'ultravioletto. Questa luce viene rivelata
dagli "occhi" esagonali di Telescope Array.
(disegno da qui) 

I due rivelatori sono complementari: quelli di muoni funzionano sempre ma sono meno precisi, mentre quelli dell'ultravioletto sono più sensibili ma hanno bisogno della più assoluta oscurità  e dunque sono operativi solo nelle notti senza Luna. Insieme è possibile tenere sotto controllo la sistematica dell'esperimento e misurare la quantità di raggi cosmici presenti tra 10¹⁹ e 10²⁰ eV. L'origine di queste particelle è al momento sconosciuta: si ritiene che queste particelle siano formate in buchi neri presenti al centro di nuclei galattici attivi, ossia di galassie distanti tra noi fino a 300 milioni di anni luce. Questa ipotesi è però ancora aperta: le teorie più esotiche suppongono che potrebbero anche essere frammenti di difetti topologici creatisi nei primi istanti del Big Bang.  Al momento non si conoscono oggetti nell'universo con energie più alte: sulla terra, con LHC (dove si stanno trovando le prime tracce del bosone di Higgs) possiamo solo effettuare collisioni ad energie mille volte inferiori.

Foto del rivelatore di fluorescenza sito a Black Rock Mesa
gli specchi esagonali concentrano la luce nell'obiettivo, composto
da una serie di scintillatori che rivelano la luce ultravioletta
trasformandola in segnali elettrici. 

Il numero di raggi cosmici di Ultra-alta energia   è estremamente limitato: su ciascun chilometro quadro ne giunge meno di uno all'anno e dunque non pongono rischi per la salute degli astronauti o dei voli in aereo come quelli di più bassa energia. Tuttavia per avere una statistica sufficiente a comprenderne proprietà e origine sono necessari rivelatori enormi come Telescope Array, che coprono un'ampia zona del deserto. Più grande di Telescope Array (TA) c'è Auger, sito in Argentina, dunque nell'emisfero Sud. E' forse questo diverso campo di vista del sistema extragalattico  a fare sì che le osservazioni di Auger e TA siano discrepanti in termini di possibile composizione e distribuzione: al momento la questione è ancora aperta e si può ancora attribuire l'effetto ad un effetto strumentale, dovuto alla risoluzione degli apparati. In parallelo si sta anche progettando un telescopio con area ancora più grande: JEM-EUSO. In questo caso ci si propone di osservare i raggi cosmici dallo spazio costruendo un telescopio che osserva l'atmosfera dalla Stazione Spaziale Internazionale, coprendo così un'area molto più grande e raccogliendo molti più eventi.

3 - fine (ma torneremo presto sull'argomento)
Qui la prima parte
Qui la seconda parte