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

2000 giorni di PAMELA in orbita

Il 5 dicembre lo spettrometro magnetico PAMELA ha compiuto 2000 giorni di volo nello spazio.

Lo strumento, lanciato a bordo del satellite russo Resurs-DK1 il 15 giugno 2006 aveva già festeggiato 5 anni qualche tempo fa. 

PAMELA studia i raggi cosmici carichi, protoni, elettroni, nuclei di elio; lo spettrometro magnetico permette di estrarre la rarissima componente di antimateria, antiprotoni e positroni, importante sia per la ricerca indiretta di materia oscura che per comprendere perché il nostro universo sia composto di sola materia. 

Purtroppo qualunque  campo magnetico devia le particelle cariche e quindi quello che abbiamo sono "solo" i flussi di particelle, ossia quante particelle ci sono ad una certa energia. 

Gli obiettivi scientifici di PAMELA nel plot di Hillas. 

A bassa energia (10⁹  eV) vi sono quelle intrappolate 

nelle fasce di Van Allen della magnetosfera terrestre, poi quelle emesse 

nelle eruzioni solari e  modulati nel nostro sistema solare  (10¹⁰  eV). 

Positroni ed elettroni vengono dal "vicinato" galattico,

 1-2 kpc, mentre protoni ed antiprotoni scorrazzano 

liberamente per tutta la galassia sino a  circa 10¹⁸  eV. 

Anche se non è possibile produrre le splendide immagini di satelliti come AGILE, Fermi o Hubble, studiando i flussi delle varie particelle è possibile ottenere informazioni molto dettagliate su come i raggi cosmici sono stati prodotti e si sono propagati nella galassia, nel nostro sistema solare ed in prossimità della Terra. 

I fenomeni che governano la magnetoidrodinamica -  disciplina che studia l''interazione tra particelle e campi magnetici - sono molto simili indipendentemente dalle scale in gioco: studiando la produzione di particelle emesse nelle eruzioni solari è possibile comprendere i meccanismi che hanno luogo nelle pulsar e nei nuclei galattici attivi, galassie dominate da immensi buchi neri.

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

5 anni di Pamela in orbita

Oggi  ricorrono i primi cinque anni di PAMELA in orbita.

Il lancio è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), dalla  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA sulla rampa di lancio, la stessa da cui furono lanciati lo Sputnik e Yuri Gagarin, cosmodromo spaziale di Baikonur, Kazakistan (foto M.C.).

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   alloggiato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti alla determinazione del   tipo  ed energia  dei raggi cosmici, (elettroni, protoni, nuclei), con particolare riguardo alla  componente di antimateria,  ad energie e  con  precisioni   sino ad ora mai raggiunte con misure dirette.

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). E’ possibile distinguere le tre strutture di scintillatori del tempo di volo (S1, S2, S3), utilizzati per la determinazione della velocità e carica delle particelle. Le anticoincidenze (AC) poste intorno all’apparato consentono di eliminare eventi non validi provenienti dai lati;  lo spettrometro magnetico (TRK) è collocato tra i due scintillatori S2 ed S3, mentre il calorimetro silicio tungsteno (CALO), lo scintillatore di coda (S4) ed il rivelatore di neutroni (ND) vengono utilizzati per determinare la natura (leptone o adrone) dell’evento, e la  sua energia (nel caso di elettroni/positroni).

Nel corso dei primi cinque anni di vita PAMELA ha fornito dati rivoluzionari per la fisica dei raggi cosmici, la componente di antimateria nello spazio e la ricerca indiretta di materia oscura. I risultati sono stati pubblicati su Nature, Science, Physical Review letters....
Buon compleanno PAMELA, e grazie di tutto!

Spettri del flusso delle componenti principali dei  raggi cosmici nell’intervallo accessibile a PAMELA. Sono dominati dai protoni e dai nuclei di elio (circa il 90% ed il 9%).   In caso di eruzioni solari il flusso può aumentare improvvisamente di vari ordini di grandezza (curva rossa: misure   PAMELA relative all’evento del 13 Dicembre 2006). Anche nella regione del Sud Atlantico il flusso di protoni intrappolati  è molto più alto di quello galattico. La componente negativa è composta prevalentemente  da elettroni  con l’antimateria (antiprotoni)  presente solo in piccole  quantità.