Antimateria intorno alla Terra, PAMELA e viaggi interstellari

Dati recenti di PAMELA, pubblicati su Astrophysical Journal Letters (reperibile anche qui)  mostrano come nella magnetosfera terrestre sia presente una fascia stabile di antiprotoni, ossia antimateria a poche centinaia di chilometri attorno alla terra.
Queste particelle vengono formate dall'urto dei raggi cosmici galattici di più alta energia con gli strati alti dell'atmosfera: tra la miriade di particelle prodotte in queste collisioni vi sono anche antineutroni che possono decadere a loro volta in antiprotoni, che rimangono intrappolati nel campo geomagnetico.
Questa fascia di antiprotoni è molto più piccola di quelle di   protoni ed elettroni, dette di Van Allen dal nome del suo scopritore (un video delle fasce di Van Allen viste con pamela è presente qui).
Questo è il flusso di antiprotoni intrappolati  che abbiamo misurato con PAMELA. E' la prima volta che viene effettuata questa misura perché è necessario uno spettrometro magnetico per discriminare i protoni dalle loro antiparticelle in virtù della loro carica opposta. Oltre agli antiprotoni intrappolati (in rosso in figura) sono state rivelati anche antiparticelle prodotte in prossimità della terra ma che si perdono nel sistema solare (in blu). Per confronto, in nero è mostrato il flusso di antiprotoni provenienti dalla galassia.

I 28 antiprotoni rivelati intorno alla Terra da PAMELA sono rappresentativi di circa qualche miliardo di antiparticelle presenti in orbita attorno alla Terra. Troppo poche per rappresentare una forma di energia stabile o per alimentare futuristici motori a materia/antimateria. Tuttavia a questo link è presente un interessante documento che stima la quantità di antimateria presente nelle magnetosfere del sistema solare.
Le enormi magnetosfere di Giove e Saturno dovrebbero contenere centinaia di volte più antiprotoni di quella terrestre e dunque poter un giorno (molto remoto) essere utilizzati come minima sorgente di energia per viaggi interstellari. Il vantaggio di questa fonte è che - seppur piccola - si rigenera continuamente per l'urto delle particelle galattiche con le atmosfere planetarie.

Stime di antiprotoni presenti nel sistema solare (tratto da qui)

Materia, Antimateria e Materia Oscura nello spazio con PAMELA (1)

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


La massa mancante dell'universo. 

Di cosa è composto realmente l’universo? Solo il 4% dell'universo è costituito da particelle a noi note, protoni, elettroni e nuclei che costituiscono i pianeti, le stelle e le galassie. Un altro 23% è costituito da materia “oscura”, distribuita in modo non uniforme nella nostra galassia e lo spazio intergalattico: si tratta di una o più particelle a noi ignote, invisibili e al momento imperscrutabili ai nostri tentativi di identificazione. Il problema della massa mancante nell'universo fu notato per la prima volta nel 1933 dall'astronomo svizzero Fritz Zwicky.  Osservando l'ammasso di galassie Coma, egli dedusse che il moto di rotazione delle centinaia di galassie che lo componevano era incompatibile con la sola massa visibile con i telescopi. Ipotizzò quindi che vi fosse una quantità di materia invisibile più di 100 volte maggiore di quella stellare. Come accade a molti pionieri nella scienza, le sue scoperte rimasero inascoltate per più di quaranta anni, fino a quando lo stesso effetto fu notato anche all’interno della nostra galassia. Le stelle ruotano infatti con una velocità che può essere spiegata solo assumendo che anche la Via Lattea sia permeata di materia oscura che - come una melassa invisibile - tiene unita la nostra galassia. Studi successivi hanno evidenziato la presenza di materia oscura anche in altre galassie. Recentemente si è poi scoperto che il 73% dell'universo è costituito da una "energia oscura", una sorta di pressione negativa che domina l’evoluzione dell’universo accelerandone l’espansione. (Nel blog di Amedeo Balbi  altre info)

Ripartizione della massa dell’universo.

Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia comune che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano una simmetria tra materia ed antimateria. Queste leggi prevedrebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. Dov’è che queste leggi cessano di essere valide? Quali leggi più generali e ancora ignote hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967 le tre condizioni necessarie per portare alla asimmetria osservata. Secondo Sakharov è necessario: 

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando, 

2) che non si conservi il numero barionico (ovvero, ad esempio, che sia possibile creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni) 

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la simmetria di carica e parità (CP). 

 Se queste condizioni possono essere considerate il palcoscenico in cui la materia finisce per dominare sull’antimateria, più di 40 anni di ricerche non hanno reso noti - a livello teorico o sperimentale - gli attori responsabili di questa interazione. Infatti non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. La forza debole, quella responsabile del decadimento nucleare beta, può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però troppo piccola e – nonostante sia non completamente conosciuta - non sembra in grado di soddisfare appieno la terza condizione. In conclusione solo la prima condizione è verificata: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase detta di inflazione in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito ad una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.   

Questi misteri mostrano come la conoscenza dei fenomeni fisici dell’universo sia lungi dall’essere completa. La presenza della materia oscura costituisce una prova inequivocabile dell’esistenza di particelle a noi ancora sconosciute e non contemplate dal modello standard della fisica. Non è nemmeno chiaro se vi sia una relazione tra questi due misteri e se una soluzione anche parziale di uno possa contribuite alla comprensione dell’altro.

Per tentare di dare una risposta a queste domande è in corso uno sforzo multidisciplinare che coinvolge acceleratori di particelle, laboratori sotterranei, osservatori astrofisici ed rivelatori posti nello spazio.  E’ a quest’ultima categoria che appartiene il rivelatore PAMELA, un sofisticato apparato per lo studio dei raggi cosmici e la ricerca di antimateria, posto in orbita attorno alla Terra nel 2006.

I tre diversi approcci alla ricerca di materia oscura: nello spazio, sottoterra  e tramite acceleratori.

I raggi cosmici

I raggi cosmici furono scoperti da Domenico Pacini nel 1912 studiando la diminuzione della radiazione ambientale sott’acqua e da Victor Hess notando l’aumento della radiazione ad alta quota. Si tratta di un potente strumento investigativo del cosmo, in grado di fornire informazioni sia sui processi astrofisici estremi che su fenomeni legati alla fisica delle particelle elementari. Il 90% dei raggi cosmici nello spazio è costituito di protoni, il 9% di nuclei di elio, mentre il restante 1% contiene elettroni e tracce di tutti i nuclei più pesanti (Figura 2). Interagendo con l'atmosfera i raggi cosmici producono anche molte particelle elementari come pioni, muoni, positroni, molte delle quali sono state effettivamente scoperte per la prima volta sfruttando questo acceleratore di particelle che la natura ci fornisce. Nel corso degli anni ci si è rivolti spesso allo studio dei raggi cosmici in quanto sorgente di particelle con energie non accessibili agli acceleratori di particelle in funzione all’epoca. Anche al giorno d'oggi i più grandi acceleratori – pur potendo produrre sistematicamente grandi quantità di eventi alla ricerca di nuova fisica - non sono in grado di raggiungere le energie più elevate ancora accessibili solo tramite lo studio dei raggi cosmici.  

1. continua.
Parte 2

Flusso dei raggi cosmici carichi. La galassia ed il nostro sistema solare è  permeato da queste particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce. I protoni costituiscono quasi il 90% ed i nuclei di elio circa il 10%. Le restanti frazioni  sono dovute a nuclei pesanti, elettroni ed antiparticelle.