Antimateria e la materia oscura nello spazio con PAMELA (2)

Adattato ed aggiornato da M.C., P. Picozza, Pamela: la ricerca di antimateria nello spazio, Le Stelle, n.73 maggio 2009. 

Seconda parte

Obiettivi scientifici e risultati

Gli obiettivi scientifici di PAMELA sono riassunti nella  figura sottostante e vanno dalla ricerca di antimateria nello spazio allo studio dei raggi cosmici galattici, solari ed intrappolati. Il grafico, realizzato per la prima volta da Hillas, rappresenta le varie sorgenti astrofisiche a seconda delle loro dimensioni e dell'intensità del loro campo magnetico. Ogni oggetto astrofisico è in grado di accelerare particelle sino ad una energia massima definita da questi due parametri. Anche se le energie in gioco sono enormemente diverse, i processi di magnetoidrodinamica - la disciplina che studia l'interazione tra particelle e campi magnetici - su una scala più facilmente accessibile, come ad esempio le fasce di radiazione terrestri, aiutano a comprendere fenomeni che avvengono in strutture più complesse e lontane (come le pulsar). Punto di forza dell'esperimento è dunque lo studio dei raggi cosmici nei suoi diversi aspetti, spaziando dalla fisica delle interazioni fondamentali ai meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione delle particelle nella galassia, nel nostro sistema solare ed intorno al nostro pianeta.

Gli obiettivi scientifici di PAMELA e le sorgenti astrofisiche studiate.

Antimateria, antiprotoni e positroni.

Come già accennato, obiettivo principale dell’esperimento è la misura accurata dello spettro di antiparticelle nei raggi cosmici. Antiprotoni e positroni hanno la stessa massa e lo stesso valore assoluto della carica elettrica delle loro controparti, protoni ed elettroni, che sono i costituenti di base degli atomi del nostro mondo. Le loro cariche elettriche hanno però segno contrario e dunque possono essere identificati dalla opposta curvatura nel campo magnetico di PAMELA. La rarità di queste antiparticelle – un antiprotone ogni 100.000 protoni ed un positrone ogni 10 elettroni – è un’altra prova della asimmetria tra materia ed antimateria. Queste componenti sono normalmente prodotte in urti tra protoni galattici ed il gas interstellare e  non sono contaminate dalle sorgenti stellari e costituiscono un ottimo strumento per la ricerca indiretta della materia oscura. Infatti, un eventuale eccesso del numero di antiparticelle rivelate può essere indice di materia oscura che si è annichilata dando un ulteriore contributo alla loro produzione. A seconda dei vari modelli sulla natura e massa delle elusive particelle che compongono questo tipo di materia, è possibile prevedere distorsioni e incrementi degli spettri di antiprotoni e positroni.

Produzione di antiprotoni nel mezzo interstellare. I protoni relativistici,  accelerati nell'esplosione di supernovae, urtano con quelli in quiete della polvere galattica. Dalla collisione viene prodotto un antiprotone ed un protone (per conservazione della carica e del numero barionico). 

Anche la materia oscura può produrre antiparticelle. Secondo molte teorie questa particella può annichilarsi se viene a contatto con un'altra particella uguale (è la sua stessa antiparticella), producendo raggi gamma, positroni-elettroni o protoni-antiprotoni. Solo i positroni e gli antiprotoni (ed eventualmente i gamma) sono prodotti in quantità sufficienti per poter rivelare essere rivelati.  

Produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura. 

Le misure di PAMELA hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100-200 GeV, energia mai raggiunta precedentemente. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi (varie centinaia in circa 500 articoli!) sulla natura di questo aumento inaspettato di positroni di alta energia la più interessante è appunto quella che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Misura del rapporto positrone/(positroni + elettroni) (alto) e antiprotone/protone (basso) misurato da PAMELA. La misura del rapporto consente di ottenere una misura più precisa, riducendo gli effetti strumentali. Si noti la rarità delle antiparticelle rispetto alle particelle. La componente di antiprotoni risulta coerente con le varie ipotesi sulla interazione di raggi cosmici nel mezzo interstellare (curve continue e tratteggiate) , mentre quella di positroni mostra un eccesso inaspettato sopra 10 GeV. La curva in nero mostra il contributo atteso in assenza di contributi anomali, mentre la curva in verde ipotizza il contributo di una particella di materia oscura, che – annichilandosi – produce un eccesso di positroni. La curva blu mostra una stima del possibile contributo dovuto a Pulsar.  

2. continua
Parte 1