L'esperimento spaziale PAMELA compie dieci anni

In questi giorni l’esperimento spaziale PAMELA (in cui lavoro)  ha compiuto dieci anni.
Il lancio (qui il video)  dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo di Yuri Gagarin.
Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m, è alloggiato in un contenitore pressurizzato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti allo studio dei raggi cosmici, ossia elettroni, protoni e nuclei presenti nella nostra galassia.

Alcuni raggi cosmici osservati con PAMELA. Sinistra:Elettrone (0.171 MeV). La particella entra dall’alto della figura colpendo due barre dello scintillatore posto in cima (S1) e sopra il magnete (S2). La sua traiettoria - curvata dalla presenza del campo magnetico - è rivelata dalle microstrip al silicio del tracker. La particella interagisce successivamente con lo scintillatore di fondo (S3) prima di essere assorbita dal calorimetro tracciante al silicio tungsteno. Centro: Positrone di 0.169 MeV. Le interazioni con l’apparato sono le stesse quelle dell’evento precedente ma la curvatura è nel verso opposto. Destra: un protone di 36 GeV. La sua alta energia fa sì che la curvatura nel magnete sia molto ridotta. È visibile lo sciame adronico prodotto dall’interazione con il calorimetro, la carica rilasciata nello scintillatore di coda (S4) ed i neutroni prodotti nello sciame e rivelati nel rivelatore di neutroni.

Nel corso dei suoi primi dieci anni di vita PAMELA ha fornito dati di estrema precisione che hanno mutato la nostre conoscenze sulla fisica dei raggi cosmici, galattici, solari e intrappolati intorno alla terra (qui i risultati principali su Nature, Science, Physical review letters).

Tra le varie scoperte citiamo quella di una fascia di antiprotoni intrappolata intorno alla terra. Gli antiprotoni, identici ai protoni ma con carica opposta, sono prodotti negli urti dei raggi cosmici primari con l’atmosfera terrestre e rimangono poi intrappolati nel campo geomagnetico. Purtroppo le quantità di antimateria sono troppo piccole per sfruttarle come forma di energia e meno che mai per realizzare una bomba (senza contare che i metodi di confinamento per una bomba di antimateria sono ben oltre le nostre possibilità tecniche ed energetiche).

Tra gli altri risultati vi è la misura della componente di antimateria, antiprotoni e positroni, presente nei raggi cosmici. L'importanza di questa misura risiede nella possibilità di rivelare la presenza indiretta di materia oscura. 

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

Le misure di PAMELA, pubblicate su Nature nel 2009  (Nature 458, 607-609 (2009), una copia è disponibile qui), hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100 GeV. 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 sulla natura di questo aumento inaspettato (confermato negli da altri esperimenti come FERMI  e AMS che ha leggermente esteso l’intervallo energetico) di positroni di alta energia. La più interessante è che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come le pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

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

Indizi di quinta forza e materia oscura?

Tasselli di un puzzle. O forse  tasselli di puzzle diversi. O più probabilmente due tasselli, un biscotto e un lego. Questo è lo stato della fisica fondamentale in questi ultimi anni. I pezzi principali sul tavolo sono:

1. Materia Oscura Tutti cercano – con disperazione crescente – la materia oscura, che costituisce il 23% della massa dell'universo. È quasi un secolo che ne è nota l’esistenza dal movimento delle galassie e degli ammassi di galassie, ma fino a ora tutti gli esperimenti costruiti per rivelarla non ne hanno trovato traccia.

Materia Oscura finalmente scovata? Un nuovo segnale dall'esperimento CDMS.

L'ammasso di galassie nella costellazione
Coma, dove negli anni '30
fu identificata per la prima volta la presenza di materia
 non visibile ai telescopi. 

Almeno un quarto della massa del nostro universo è composto di materia oscura. Probabilmente si tratta  di una particella non prevista nel modello standard ma necessaria per "mettere a posto" vari problemi di meccanica quantistica e cosmologia. Negli anni moltissimi esperimenti hanno cercato la materia oscura sottoterra, nello  spazio e su acceleratore, con alterne vicende e senza un risultato definitivo.

Le misure di CDMS II
l'asterisco nero mostra
massa e probabilità di interazione
della particella candidata
di materia oscura

Pochi giorni fa l'esperimento CDMS II ha presentato i suoi risultati, pubblicati in un preprint qui e ripresi dal blog di Nature (qui una rassegna). I ricercatori di CDMS hanno trovato 3 eventi (su un fondo atteso di 0.7). Il segnale è piccolo per parlare di scoperta ma focalizza la massa della particella a 8.8 GeV, - molto di meno di quanto molti si sarebbero aspettati.

La massa è anche vicina a quella misurata dall'esperimento DAMA. Da più di un decennio .- infatti - questo l'esperimento italiano, posto  sotto il Gran Sasso, mostra un segnale di modulazione annuale consistente conl'ipotesi che  questa elusiva e fondamentale particella urti il rivelatore con frequenza maggiore o minore a seconda della direzione in cui spira il "vento" galattico. A giugno, quando la velocità della terra attorno al sole si somma con quellanel sole attorno al centro galattico, il segnale è massimo, mentre a dicembre - in un periodo di relativa bonaccia - il numero di conteggi è minimo. La sezione d'urto (ossia la probabilità di interazione) è più bassa per CDMS II rispetto a quella per DAMA, ma questa differenza potrebbe essere spiegata in termini di efficienza dei rivelatori o del modello di interazione.

Il segnale annuale dell'esperimento DAMA

AMS-02 conferma i dati di PAMELA... e li estende ad una energia un po' più alta

(here in english)

PAMELA è uno spettrometro magnetico lanciato più di 6 anni fa a bordo del satellite russo Resurs-DK1. Dal 2006 sta fornendo dati di alta precisione su raggi cosmici di origine solare, galattica ed intrappolata nel campo geomagnetico. 

Il principale risultato è quello della misura della componente di antimateria, antiprotoni e positroni, presente nei raggi cosmici. L'importanza di questa misura risiede nella possibilità di rivelare la presenza indiretta di materia oscura. 

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

Le misure di PAMELA, pubblicate su Nature nel 2009 (Nature 458, 607-609 (2009) una copia è disponibile qui),  hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100 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 più 1000 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.  

I risultati di AMS confrontati con quelli di PAMELA e GLAST
(da qui)

E' quindi piacevole (e tranquillizzante....) avere una ulteriore conferma delle misure di PAMELA del 2009. Una prima conferma è arrivata con il satellite FERMI/GLAST nel 2011 (qui il preprint, qui una spiegazione del metodo di misura) che ha esteso l'intevallo energetico.
Le misure indipendenti di AMS, presentate da Sam Ting al Cern il 3 aprile (qui il comunicato stampa), qui un ottimo intervento di Roberto Battiston,  mostrano infatti un ottimo accordo con quelle di PAMELA. La maggiore grandezza di AMS consente di avere un numero maggiore di positroni e dunque un minore errore statistico. A basse energie la differenza è dovuta alla modulazione solare. A più alte energie sembrerebbe che il rapporto positroni/elettroni tenda verso un valore costante (e più basso di quello di GLAST), indice che  il meccanismo di produzione di positroni, qualunque esso sia, stia andando verso un valore costante. Purtroppo non sono evidenti strutture (con molta fantasia qualcosa a 100 GeV) che possano fare pensare all'annichiliazione di materia oscura.

Questo primo risultato mostra le potenzialità di AMS, lo strumento di punta della Stazione Spaziale Internazionale e fa ben sperare per il proseguimento della missione. 

Sarà interessante vedere se i risultati di AMS sugli antiprotoni confermeranno - come plausibile attendersi - quelli di PAMELA. 

Omega Centauri - questo sconosciuto - e il cannibalismo cosmico

Omega Centauri

Giovanni è un  astrofisico,  precario da ormai più di dieci anni. Segue la sua passione incurante dei tagli alla ricerca che ormai rendono impossibile la sua professione. Viene convocato presso una fondazione miliardaria, nota per i suoi traffici poco chiari e le sue contestate decisioni. Uno dei dirigenti - con l'antica passione dell'astronomia - decide di finanziare i suoi studi: gli paga   qualche mese  di stipendio per tentare di risolvere uno dei più grandi misteri del cosmo. E' un enigma che potrebbe  - un giorno - portare all'estinzione o alla salvezza della razza umana. 
In un remotissimo passato una collisione cosmica ha portato alla distruzione di una galassia nana, fagocitata dalla più grande compagna. Nello scontro sono state spazzate via stelle, pianeti, nebulose, forse civiltà millenarie. Le prove del cannibalismo cosmico sono davanti agli occhi di tutti: il nucleo della galassia ha resistito all'impatto ed è ormai prigioniero della galassia assassina. La galassia "malvagia" è la nostra Via Lattea, il nucleo superstite è Omega Centauri: al suo interno si nasconde il segreto della formazione dell'universo, legato a doppio filo con l'enigma della materia oscura.... 

 Personaggi e situazioni sono di fantasia, ma le teorie sono esatte: potrebbe essere un  soggetto per un thriller  a cavallo tra la fantascienza e le cospirazioni, ma è solo oggetto dell'ironia  dei giornalisti.  Nell'anteprima del prossimo servizio di Report si fa infatti menzione, con supponente ironia, di:
"Omega centauri, il possibile anello di congiunzione tra gli ammassi globulari e le galassie sferoidali nane, c'è scritto in bilancio esattamente così",  

come studio folle finanziato con ben ventimila (20000) euro dalla fondazione del Monte Paschi di Siena.  Del sarcasmo che nasconde ignoranza e pigrizia per non consultare almeno  la pagina di wikipedia abbiamo già parlato ieri.  A rendere ancor più surreale il tutto è l'importanza dell'oggetto in questione, studiato da moltissimi gruppi in tutto il mondo ed oggetto di quasi 2000 articoli nella letteratura scientidica.  

Nome: Omega Centauri. Già il nome trae in inganno. Omega Centauri lascia supporre che sia una stella poco luminosa nella costellazione del Centauro. Le lettere dell'alfabeto greco indicano la luminosità delle stelle: ad esempio Alpha Centauri, la stella (in realtà è un sistema con tre stelle) più vicina a noi  (dista 4,4 anni luce), è anche la più luminosa della costellazione del Centauro. 

Cos'è adesso: Omega Centauri è in realtà un enorme  ammasso stellare,  scambiato in passato per una stella per la sua relativa luminosità. E' un ammasso immenso: contiene circa cinque milioni di stelle addensate nel "minuscolo" spazio del diametro di circa 500 anni luce. E' un ammasso antichissimo: le stelle hanno in media 12 miliardi di anni, ossia si sono formate relativamente presto nella storia del nostro universo.  E' un ammasso vicino a noi: dista 16000 anni luce. 

NGC147, una galassia sferoidale nana

Cos'era in passato: Con ogni probabilità Omega centauri è il nucleo di un'antichissima galassia nana, un reperto di archeologia cosmica che suggerisce catastrofi cosmiche avvenute in un passato non troppo remoto. Questa galassia si deve essere scontrata con quella della Via Lattea, in cui si trova il nostro Sole. La Via Lattea, più grande, ha fagocitato la galassia  più piccola, inglobando in sé le stelle più esterne.  Allo scontro è sopravvissuto intatto solo il nucleo, che cela al suo interno un buco nero, altra prova a favore della sua precedente natura di nucleo galattico (vedi sotto). 

E le galassie sferoidali nane? Sono un altro mistero, nella zoologia delle galassie più piccole, quelle sferoidali sembrerebbero contenere enormi quantità di materia oscura, più di qualunque altro oggetto del nostro universo. Comprendere il perché proprio queste galassie hanno molta materia oscura potrebbe aiutare a comprendere la natura di questa misteriosa particella uno dei più grandi misteri della fisica delle particelle, della cosmologia e della fisica moderna. 

E' l'anello di congiunzione? La relativa vicinanza di Omega centauri al nostro Sole ed al nostro pianeta ne rende più semplice lo studio. Con Hubble ed altri telescopi possiamo analizzare dettagli   inaccessibili nelle altre galassie per via della loro lontananza. Questo è di aiuto per la comprensione della nascita della galassia nana originale, e della evoluzione da galassia indipendente a mero suddito della nostra Via Lattea.  


Che c'entra il buco nero al centro di omega Centauri? Al centro della nostra galassia c'è un buco nero supermassivo. Si ritiene che al centro di ogni galassia ci sia un buco nero, più o meno proporzionale alla massa della galassia madre.Al centro di omega centauri è stato identificato un buco nero grande ma di massa intermedia, compatibile con la sua origine di galassia. (aggiunto 6/5/2012)

(edit 6/5/2011, piccoli aggiustamenti al testo e chiarimenti sul buco nero suggeriti da Alessandro Clementi, grazie!)

Il Bosone di Higgs e le pagine dell'album di figurine

Da sinistra: Fabiola Gianotti, responsabile
dell'esperimento ATLAS,  Rolf Dieter-Heuer,
direttore del CERN,  Guido Tonelli,
responsabile dell'esperimento CMS

Lo scorso 13 dicembre nel corso di due seminari al CERN di Ginevra, sono state annunciate prove dell'osservazione del "bosone di Higgs", la particella elementare che mancava all'appello del "modello standard", la teoria fisica che racchiude le nostre conoscenze sul mondo nucleare e subnucleare. 

Anche se il numero di osservazioni di questa particella è ancora troppo basso per garantire con certezza la sua esistenza (e vincere il premio Nobel) si può dire con ragionevole certezza che la figurina mancante per completare la pagina delle particelle elementari a noi note sia stata finalmente attaccata. Tuttavia siamo lungi dal completare l'album:  vari  blog (Amedeo Balbi, Tommaso Dorigo, vixra) hanno raccontato e spiegato in dettaglio questo evento e le sue implicazioni, per cui mi limito a riassumere alcuni fatti essenziali.

Chi è il signor Higgs? Peter Higgs è un fisico scozzese che negli anni '60 ha sviluppato la teoria secondo cui le particelle elementari potessero avere la massa che noi misuriamo. Secondo questa teoria è necessaria l'esistenza di una specifica particella (un bosone) cui  è stato dato il suo nome.

La prima pagina dell'album di figurine,
faticosamente riempita in circa un secolo di ricerche.
 I fermioni (quark, elettroni, neutrini)
 sono nelle prime tre colonne,
i bosoni (cui andrà forse aggiunto l'Higgs)
 nella quarta  (da qui).

E il bosone? Le particelle elementari possono essere divise in due grandi categorie a seconda delle loro proprietà statistiche e microscopiche: bosoni e fermioni. I bosoni derivano il loro nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose ed i fermioni dal 'nostro' Enrico Fermi. A grandi linee, le forze fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, debole, gravitazionale) sono esercitate tramite bosoni, mentre la materia (atomi, nuclei) è composta di fermioni. Un bosone per tutti: la luce (o meglio il fotone). Un fermione per tutti: l'elettrone. 

Perchè è importante questo bosone di Higgs? Perchè se non si trova, o se lo si trova con caratteristiche (ad esempio la massa) diverse da quello che prevede la teoria, allora la teoria è sbagliata e va modificata. Il modello standard non crollerebbe come un castello di carte, ma avrebbe bisogno di una bella ristrutturazione. Per fortuna (o per sfortuna?) la massa del bosone di Higgs misurata da ATLAS e CMS sembrerebbe una di quelle più attese dal modello standard. 

Ma perché è chiamata la particella di Dio? Il nome non ha alcun senso. Compare nel libro di Leon Lederman, ma è frutto di una censura dell'editore, dato che l'autore l'aveva originariamente chiamato "la particella dannata" (the goddamn particle), perché terribilmente difficile a trovarsi (il che, detto da un premio Nobel per i neutrini - che possono attraversare la terra senza batter ciglio - la dice lunga). 

Dove è stato trovato? Ai laboratori internazionali del CERN di Ginevra, cui l'Italia partecipa con vari istituti (tra cui l'INFN) ed Università. 

Perchè si trova solo lì? Al CERN è presente il più potente acceleratore di particelle del mondo, LHC (large hadron collider),  ed è attualmente l'unico strumento in grado di  produrre l'elusivo bosone di Higgs (al Tevatron del Fermilab ci hanno provato per anni, ma la macchina non era abbastanza potente). 

Un probabile evento di Higgs che decade in due 

particelle Z che a loro volta producono 2 muoni  ciascuno. 

Dal sito web del CERN, che non vuole correre rischi,

 la didascalia  del CERN infatti aggiunge: 

Such events are produced by Standard Model processes

without Higgs particles.  They are also (ma anche)

 a possible signature for Higgs particle production. 

(rosso e 'ma anche' sono miei)

Come è stato trovato? Questa particella era presente in abbondanza nei primi istanti di vita dell'universo, poi è decaduta completamente. Per osservarla è necessario un acceleratore di particelle con una energia ed una intensità tale da produrre questa particella. Nel tunnel sotterraneo vengono fatti circolare fasci di particelle ed antiparticelle sino a farli scontrare. Nell'urto si produce ogni sorta di fermioni e bosoni. I rivelatori di particelle (in questo caso ATLAS ed CMS) sono in grado di fotografare la forma dell'interazione e delle tracce ed identificare così l'Higgs tra la marea (marasma?) di altre particelle elementari. 

Ma è stato trovato per davvero? Che è questa storia delle sigma? Molto probabilmente sì. Due rivelatori distinti, ATLAS e CMS, hanno rivelato tracce diverse riconducibili - in maniera indipendente - ad un bosone di Higgs con massa pari a 126 GeV. Non possono dare l'annuncio della scoperta perchè il numero di tracce osservate è troppo esiguo e c'è sempre la probabilità di un errore. Il numero di sigma  quantifica la probabilità di uno sbaglio: poche sigma (male) implica un'alta probabilità di errore, tante sigma implica la  ragionevole certezza della scoperta. Per alcune spiegazioni sulla sigma e la significatività del risultato, vedete qui, anche se per un commento caustico ed aggiornato sugli usi errati della statistica da parte dei giornalisti vi  rimando ad un recente preprint di D'Agostini (saltate l'abstract che è più ostico e leggete l'articolo che è molto meno tecnico).

Ma allora non potevano aspettare? No, perché l'evidenza è tale da meritare un annuncio. In questa maniera tutti coloro  che lavorano sull'argomento possono beneficiare dei nuovi risultati. Inoltre  i vari  esperimenti sono tra loro concorrenti e  c'è sempre il rischio che la scoperta del secolo venga soffiata a colpi di articoli (è già successo tante volte). Inoltre il numero di sigma di ciascuno dei due esperimenti è superiore a quello dei test clinici di molte medicine. 

La divisione della massa nell'universo. Stelle e gas
costituiscono il solo 4%. Materia ed energia oscura
 ammontano a  più del 90%  ma non ne sappiamo quasi
nulla.

Quindi abbiamo finito? No: innanzitutto per dichiarare la scoperta sarà necessario osservare molte più particelle, e studiarne la natura, il decadimento ed i processi. Inoltre le osservazioni astronomiche, dalla nostra galassia agli ammassi più lontani, ci mostrano che tutte le stelle, i pianeti, il gas interstellare sono costituiti da  particelle del modello standard ma ammontano a solo circa 4% della massa dell'universo: di questo almeno il 23% è costituito da "materia oscura" (la natura del restante 73% è ancora più misteriosa). Anche questo termine è fuorviante, in quanto "trasparente" sarebbe più esatto, visto che non c'è modo di vederla con la luce delle stelle. Si tratta di una particella sconosciuta, che non appartiene alla pagina dell'album appena completata, ma probabilmente ad una pagina nuova di zecca, tutta ancora da scoprire. Alcune teorie - dette supersimmetriche - prevedono che LHC sarà in grado di osservare in futuro anche questa particella. 

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.