La ricerca dell’antimateria

le ricerche sull'antimateria

E’ passato quasi un secolo da quando Carl Anderson identificò il primo positrone, ossia la prima particella di antimateria tra la miriade di particelle che costituiscono i cieli cosmici. Da allora, numerosi esperimenti hanno dato la caccia ad elettroni e positroni per cercarne le origini e capire i meccanismi con coi arrivano alla Terra raggiuntici nello spazio della nostra galassia. Ancora oggi uno dei grandi dilemmi che orbitano intorno all’origine dell’Universo è proprio quello riguardante le particelle che lo componevano e i processi fisici che in seguito hanno portato alla costituzione della inalerai.

La coesistenza di materia ed energia nell’universo

Forse non tutti sono a conoscenza dell’esistenza dell’Alpha Magliette Spectrometer (AMS), il cacciatore di antimateria: sì, avete capito bene. Dal 2011, infatti, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale in orbita attorno alla Terra, l’AMS al quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare OEN) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) sta raccogliendo importanti informazioni. Gli ultimi risultati, pubblicali recentemente su Physical Review Letters, riguardano nuovi dati circa la misura di positroni fino ad energie di 500 GeV e di elettroni tino a energie di 700 GeV, basati su 10 milioni di elettroni e positroni identificati Ira i 41 miliardi di raggi cosmici raccolti nei primi 30 mesi della missione. Le nuove misure raggiungono un limite di energia finora inesplorato per queste componenti della radiazione cosmica e, grazie anche alla loro precisione, ci regalano importanti informazioni sulla loro origine e sul loro legame con la materia oscura, ovvero quella componente di materia che si manifesta attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma che non è direttamente osservabile in quanto diversamente dalla materia ordinaria non emette radiazione elettromagnetica. Stimando che in materia oscura costituisca la grandissima parte della massa presente nell’Universo, tutto questo aprirebbe le porte a nuovi orizzonti per la ricerca di fenomeni in atto nel nostro Cosmo ma ancora sconosciuti, identificazione diretta dei positroni è, infatti, particolarmente significativa per lo studio di fenomeni non ancora noti. Deboli quantità di antimateria possono, infatti, essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma la loro presenza è destinata a scemare rapidamente al crescere dell’energia. Invece, la frazione di positroni osservata da AMS cresce rapidamente a partire da un’energia di 8 GeV, indicando l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica. L’eccesso osservato di positroni appare isotropo (cioè uguale in ogni direzione) entro un’incertezza del 3%, suggerendo che non ci siano direzioni particolari da cui nasce questo fenomeno. Un’analisi dettagliata del tasso di crescita della frazione di positroni con l’energia, esclude strutture fini e, per la prima volta, indica chiaramente il raggiungimento di un valore massimo della frazione a energie attorno ai 275 GeV. Un punto importante da affrontare per l’interpretazione di questo risultato è se questo aumento sia dovuto a una sorgente aggiuntiva di positroni o a una “sparizione” di elettroni. Oltre all’eccesso di positroni, il secondo risultato raggiunto riguarda lo studio del flusso separato di elettroni e positroni, ovvero la misura del numero di queste particelle che arriva nell’unità di tempo alla sommità dell’atmosfera terrestre. e ne caratterizza con estrema precisione l’andamento con l’energia. I risultati indicano chiara. mente che non ci sono brusche variazioni nello spettro dei flussi di elettroni, confermando quindi che l’andamento con l’energia della componente dei positroni richiede la presenza di nuovi fenomeni per la loro produzione.
Tuttavia, per stabilire se l’origine dell’eccesso di positroni sia realmente legato alla materia oscura o se sia dovuto a sorgenti astrofisiche, ad esempio pulsar, dovrà essere esteso ulteriormente l’intervallo di energia della misura per determinare le modalità con cui la frazione di positroni decresce dopo aver raggiunto il suo massimo. Di particolare importanza sarà anche il confronto dell’effetto osservato con quello misurato in altre componenti di antimateria, ad esempio gli antiprotoni. Queste misure sono attualmente in corso nell’AMS. L’Universo è il laboratorio per eccellenza, dove materia ed energia coesistono in condizioni che spesso non possono essere riprodotte sulla Terra. Le misure dell’AMS-02 sono un indizio dell’esistenza di nuovi fenomeni fisici. la cui natura deve essere ulteriormente chiarita. Questi risultati sono stati resi possibili grazie alla precisione dei dati dell’AMS-02 che, cento anni dopo la scoperta dei raggi cosmici da parte di Victor i leSS, ne permette lo studio con una accuratezza ineguagliabile. L’ASI con INFN e l’industria nazionale ha dato un contributo determinante nel corso degli ultimi venti anni a questo successo della ricerca nazionale. Questo risultato rappresenta un importante passo in avanti nello studio di un fenomeno, quale l’eccesso di positroni, che era stato riscontrato per la prima volta nell’esperimento spaziale PAMELA, e che oggi viene misurato dall’AMS-02 con una precisione e un’estensione nell’intervallo di energia senza precedenti.