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Raggi cosmici: eccesso di antiparticelle

Raggi cosmici: eccesso di antiparticelle

AMS02onISSI risultati della collaborazione internazionale Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), il cacciatore di antimateria installato dal 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), al centro di una tre giorni al CERN di Ginevra, dedicata alla presentazione delle nuove misure di precisione di positroni e antiprotoni in orbita, che vede coinvolti alcuni tra i più importanti fisici teorici e sperimentali a livello mondiale tra cui  i responsabili  dei più importanti esperimenti dedicati allo studio  della fisica dei raggi cosmici. L’obiettivo dell’evento scientifico è comprendere il significato dei più recenti risultati di AMS e confrontarlo con quelli degli altri esperimenti e con le teorie oggi più accreditate sulla fisica dei raggi cosmici.

In particolare, AMS presenta la nuova misura di precisione del rapporto tra il flusso di antiprotoni e di protoni nei raggi cosmici, risultato che mostra per la prima volta una inattesa abbondanza di antiprotoni ad energie di centinaia di GeV.  Questa misura risulta complementare alla misura di precisione del flusso di antielettroni (positroni) pubblicata da AMS nel 2014, che evidenzia anch’essa  un eccesso di antimateria ad alta energia. L’inaspettata abbondanza dell’antimateria nei raggi cosmici di alta energia potrebbe essere dovuta ad un nuovo fenomeno fisico di tipo fondamentale. Saranno inoltre presentate le misure di precisione del flusso di protoni e di nuclei di elio fino a energie superiori al teraelettronvolt.

CERNlogoSScadreGli attuali modelli delle interazioni dei raggi cosmici ordinari con la materia interstellare non possono spiegare questi nuovi risultati di AMS: queste osservazioni forniscono informazioni importanti sui meccanismi di produzione e di propagazione dei raggi cosmici. Anche se non è ancora possibile escludere che i risultati siano riconducibili all’esistenza di nuove sorgenti astrofisiche o a nuovi meccanismi di accelerazione e propagazione, tuttavia i più recenti risultati di AMS potrebbero essere interpretabili come l’effetto di collisioni tra particelle di materia oscura, e quindi una possibile evidenza indiretta della sua esistenza e della sua natura particellare.

AMS, al quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), è l’unico esperimento di fisica delle particelle presente sulla ISS e il suo livello tecnologico è tale da permetterne la lunga permanenza nell’ambiente ostile dello spazio. Nei suoi primi quattro anni di orbita, agganciato esternamente alla Stazione Spaziale, il rivelatore ha raccolto più di 60 miliardi di eventi di raggi cosmici (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni e nuclei di elio, litio, boro, carbonio, ossigeno, etc) fino a energie dell’ordine del TeV.

Ferroni Fernando“Siamo eccitati per questi risultati che presentano un quadro difficilmente interpretabile nell’ambito della fisica tradizionale dei raggi cosmici. Questo straordinario rivelatore che opera nello spazio e al quale l’Italia ha contribuito in maniera molto significativa anche grazie al ruolo dell’industria nazionale, ci sta portando, con l’estensione dei risultati già ottenuti dal rivelatore spaziale PAMELA e raggiungendo energie molto più alte, alla soglia di una possibile importante scoperta. Aspettiamo con trepidazione i futuri risultati”, è il commento di Fernando Ferroni, presidente dell’INFN.

L’identificazione diretta di antimateria, in particolare di positroni e antiprotoni, nella radiazione cosmica è determinante per lo studio di fenomeni non ancora noti. Piccole quantità di antimateria, infatti, possono essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma i primi risultati di AMS su elettroni e positroni, già pubblicati sulla rivista Physical Review Letters nel settembre del 2014, indicano l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica.  Durante la tre giorni al CERN, insieme a nuovi risultati sulle misure del rapporto tra anti-protoni e protoni, sul flusso di protoni, nuclei di elio e altri nuclei, saranno discussi anche risultati più precisi e a più alta energia sulla componente a elettroni e positroni.

 

CERIMONIA DI CONSEGNA SENSORI INERZIALI“Quando 20 anni fa ho fondato assieme al premio Nobel Sam Ting l’esperimento AMS ero sicuro che avremmo scoperto qualcosa di interessante ma non avrei mai immaginato gli straordinari risultati che abbiamo presentato oggi al CERN. AMS è un caso di eccellenza italiana nel settore della ricerca internazionale, gran parte degli strumenti che permettono per la prima volta la misura di precisione dell’antimateria nei raggi cosmici sono stati ideati e sviluppati nei laboratori dell’INFN all’interno dell’Università e dell’industria nazionale con il contributo fondamentale dell’ASI. L’eccesso di antiprotoni presentato oggi al CERN si aggiunge a quello di positroni pubblicato in precedenza da AMS, rendendo sempre più plausibile l’ipotesi che stiamo osservando un nuovo processo fisico fondamentale”, è il commento di Roberto Battiston,  Presidente dell’ASI e fino a pochi mesi fa vice-responsabile della Collaborazione AMS .

Per comprendere estensivamente questi risultati è necessaria una conoscenza approfondita del processo coinvolto nelle collisione di raggi cosmici. Il confronto delle osservazioni di AMS con i risultati dei principali esperimenti per lo studio dei raggi cosmici (IceCube, Pierre Auger Observatory, Fermi-LAT, Magic, Hess e CTA, JEM-EUSO e ISS-CREAM) fornirà importanti contributi alla comprensione della produzione di raggi cosmici e dei loro meccanismi di propagazione.

AMS continuerà a operare per tutta la vita della Stazione Spaziale Internazionale, fino al 2024, raccogliendo e analizzando un volume crescente di dati a energie più elevate e rendendo così disponibile una ingente quantità di informazioni.

 

SCHEDA DELL’ESPERIMENTO

VittoriAMS è frutto di una collaborazione internazionale, diretta dal Premio Nobel S.C.C. Ting del MIT, i cui membri provengono da 15 nazioni in tre continenti, America (USA, Messico), Europa (Italia, Germania, Francia, Spagna, Olanda, Finlandia, Portogallo, Russia, Svizzera, Turchia) e Asia (Repubblica Popolare Cinese, Taiwan, Corea). L’Italia ha dato un contributo fondamentale alla realizzazione di questa impresa scientifica: la maggior parte dei rivelatori a bordo di AMS sono stati realizzati nel nostro paese grazie all’eccellenza scientifica e tecnologica raggiunta nel settore dai gruppi dell’INFN e delle Università coinvolte in questo esperimento e il contributo delle principali industrie aerospaziali italiane sotto il coordinamento dell’ASI.
 Portato in orbita nel 2011 grazie alla missione dell’ASI – STS 134 Shuttle Endevour, con a bordo anche l’astronauta italiano dell’ESA e colonnello dell’Aeronautica Militare, Roberto Vittori – e istallato sulla ISS in base ad un accordo tra la NASA e il DoE (Department of Energy), le operazioni dello strumento sono condotte dai membri della collaborazione nel centro di controllo (Payload Operation Control Center) situato al CERN di Ginevra e in stretto coordinamento con il team di supporto della NASA presso il Johnson Space Center. Copia integrale dei dati dall’esperimento è trasmessa e analizzata al centro di calcolo CNAF dell’INFN e distribuita quindi all’ASI Science Data Center (ASDC). 
In Italia, la missione è stata realizzata congiuntamente da INFN e ASI sia nella fase di sviluppo della strumentazione (2000-2011) che nell’attuale fase di operazione in orbita e di analisi dei dati scientifici. Roberto Battiston, presidente dell’ASI e fino a pochi mesi fa vice-responsabile della collaborazione internazionale. Bruna Bertucci dell’Università di Perugia/INFN-Perugia coordina la collaborazione italiana, che vede la partecipazione di cinquanta ricercatori dell’Università e delle Sezioni INFN di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Roma “La Sapienza”, Pisa, Trento e presso il centro ASDC.

Lo strumento. AMS è un esperimento che, utilizzando lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di particelle elementari, studia problemi di fisica delle astro particelle, misurando con altissima precisione il flusso dei diversi tipi di raggi cosmici nello spazio. Opera ininterrottamente dal 2011 e continuerà la sua ricerca fino al mantenimento in funzione della ISS. Le caratteristiche tecniche dello strumento e la sua attività per almeno una decade, permetteranno lo studio di precisione dei raggi cosmici nell’intervallo di energie che va da centinaia di MeV a parecchi TeV, al fine di effettuare ricerche per verificare l’esistenza o l’assenza dell’antimateria generata nei primi istanti di vita dell’universo e la natura della materia oscura, due problemi di fondamentale importanza nel campo delle astroparticelle. Gli obiettivi scientifici primari di AMS coprono problemi sostanziali della fisica delle astroparticelle: l’esistenza o assenza dell’antimateria nucleare (nuclei di antielio o di anticarbonio) fino a energie di migliaia di miliardi di elettronvolt. La rivelazione di anche un solo antinucleo di elio avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la nostra comprensione del Big Bang; la ricerca indiretta dell’esistenza della materia oscura nella nostra galassia attraverso la misura di precisione di positroni, antiprotoni e raggi gamma di alta energia. AMS affronta anche questioni importanti nel campo dell’astrofisica: la misura dell’abbondanza degli isotopi leggeri nei raggi cosmici; la misura di precisione del flusso e della composizione di raggi cosmici prima del loro ingresso nell’atmosfera; lo studio dell’interazione dei raggi cosmici con il campo geomagnetico.

 

 

 

La scomparsa di Giorgio Salvini

La scomparsa di Giorgio Salvini

SalviniIl Prof. Giorgio Salvini si è spento serenamente a 94 anni, stanco ma sempre lucidissimo. Nato a Milano il 24 aprile 1920, per la sua attività di ricercatore, svolta nel campo dei raggi cosmici e delle particelle elementari, è considerato uno dei più prestigiosi fisici internazionali. Ha diretto la progettazione e la costruzione dell’elettrosincrotrone di Frascati da un miliardo di elettronvolt, strumento con cui l’Italia si è dotata di un potente mezzo di ricerca tra i più originali esistenti. Stimatissimo professore di Fisica Sperimentale all’Università di Roma, ha ricevuto il Premio del Ministro della Pubblica Istruzione per la Fisica. E’ stato Ministro dell’Università e della Ricerca, ha presieduto l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è stato Presidente Onorario dell’Accademia Nazionale dei Lincei.

 

Ricordiamo di seguito alcuni passi dell’ultima conferenza tenuta all’Accademia dei Lincei, il 5 luglio 2013, che può essere considerata il suo testamento di grande esponente della cultura italiana. La conferenza è stata aperta con l’annuncio di voler  “contribuire a chiarire la natura del nostro stato sul nostro  Pianeta Terra ,  valutando quanto abbiamo capito,  quanto ancora non sappiamo ,  quanto inarrestabile è   la nostra curiosità  di conoscere,  quanto  siamo legati l’uno all’altro dall’altruismo e dalla pietà”.

Sono piovuto su  questo Mondo  senza una mia scelta del posto e del tempo”…”sono un piccolo uomo , che può soffrire, perché la sua personale  avventura svanirà con la sua morte : ma  con il conforto  d’avere contribuito allo sviluppo del grande fiume  della conquista umana  che almeno da secoli cammina”…”non so ancora definire  con sicurezza dove sto. Non  è viltà ,  ma effettiva mancanza di orientamento. Sento di poter dire:  debbo pensare ancora   per alcune migliaia di anni;  tornate tra diecimila anni , e imparerete come  la penso . Voi mi direte:  ‘ma tra  pochi anni  tu non ci sarai più !’ Questo è il punto .  Non credo che  resterà qualcosa  di me” …..”mi sento , con la mia mortalità ,  un membro  della gran carovana umana  che va”. “Una  banale   considerazione aritmetica  ci fa concludere che, almeno in Europa , siamo tutti parenti , se spingiamo i  nostri incroci  di padre in figlio oltre la ventesima o trentesima generazione.  E’ un punto  trascurabile, ma che ci deve sempre  accompagnare”.

“Non  vedo ancora  in me , che pur devo considerarmi  uno dei passeggeri più fortunati dell’Universo , il diritto o il  dovere di possedere un’anima immortale.  Credo che    svanirò come tutti , ma fatemi lasciare un atto di  fiducia,  nel quale voglio credere”.

Proprio sulla fiducia, illimitata nel Genere Umano, Giorgio Salvini, porta le conclusioni della sua conferenza e spiega che la sua fiducia poggia  su tre pilastri:

“Il primo è  la coscienza di esistere : sono un essere  espresso dai miei antenati  ( senza dei quali non saprei e non  sarei  nulla ) , e  disposto a trasmettere ai miei successori ogni mia esperienza.  Se mi sento immerso nella  gran ruota della sorte umana che va e che andrà , perdo il tormento della mia mortalità , e sento anzi  una mia immortalità o quasi.

Il secondo  e’  la  mia curiosità di sapere , e di scoprire le nostre leggi.  Questo si chiama la voglia di capire e  l’attività per  progredire nella  ricerca scientifica.  La mia voglia di capire il mondo  che  ancora non conosciamo  è notevole, e molta strada da percorrere  con gioia  attende i miei  successori.

Il terzo pilastro è quello che posso chiamare della pietà .

Intendo la pietà nel senso latino, virgiliano:  la pietà di  Enea, di Anchise, di Priamo,e  di San Francesco . La parola pietà  associata all’amore verso  i figli in tutti gli animali (si pensi alla  leonessa per i suoi leoncini, alle  api che difendono  l’alveare ) , e per noi  homines sapientes estesa a   tutti i nostri  simili,   quando chiedono aiuto . Pietà,   sinonimo ampio, che include fedeltà, sincerità, altruismo.   Sono orgoglioso per aver detto con altri  ‘L’altruismo è un buon affare.  Questi tre pilastri  possono  scavalcare la nostra mortalità come individui , illuminano la  continuità della nostra traccia nel futuro , ci offrono ai nostri   successori  come operatori futuri per ciò che impareranno.

Ognuno si senta come un navigante che saluta dalla prua della  sua nave  la nave dei suoi figli e dei suoi nipoti che si allontana ,   lieto per averla costruita e per vederla andare  su nuovi mari.

Ciò che ho fatto in vita , buono o cattivo o insignificante che sia ,  resta dunque  come   un atto concreto ai miei parenti  successori, ed è destinato a influenzare, pur in forma infinitesima , il loro comportamento , anche se molti di essi  sono inconsapevoli di questa eredità. Questo vale per tutti gli  esseri  umani, pescatori ,operai, ingegneri ,  filosofi.

Ma c’è di più, miei cari lettori e successori . E’ un privilegio che tocca ognuno di noi , presenti  nell’anno 2013 della nostra epoca. Siamo in un momento  estremamente interessante , al bordo della storia dell’homo sapiens. Stiamo  per sapere , per merito  degli scienziati  e dei tecnici  e dei  filosofi  e degli studenti che oggi cercano con noi , se c’è vita in altri pianeti , e se addirittura in altri luoghi del cosmo c’è una vita intelligente come quella  sulla  Terra , o anche  superiore alla nostra .

Insomma, lasciatemi dire ad ognuno : qualcosa della tua  vita   resta e cammina , e forse per sempre ,  anche se non sai come e quando . I nostri successori ce lo diranno”.

 

Lampi gamma terrestri: effetti sul volo

Lampi gamma terrestri: effetti sul volo

AGILEIl satellite AGILE dell’Agenzia Spaziale Italiana ha osservato lampi gamma al di sopra delle nubi temporalesche capaci di influenzare la navigazione aerea e lo sviluppo di fenomeni estremi nell’atmosfera terrestre. Un gruppo di ricerca italiano studia da alcuni anni questi fenomeni estremi per aumentare la sicurezza degli aerei in volo che dovessero imbattersi nei loro effetti.

Seppure i suoi obiettivi scientifici si trovano nelle profondità dello spazio, AGILE con le sue osservazioni sta aprendo un nuovo capitolo anche nello studio dei fenomeni più estremi che avvengono nell’atmosfera del nostro pianeta. È grazie al satellite tutto italiano per l’astrofisica delle alte energie se oggi sappiamo che i temporali particolarmente intensi e lampi da essi prodotti possono accelerare nell’atmosfera particelle a valori estremi di energia, con un impatto sull’ambiente e potenziali effetti anche sugli aerei in volo. Queste evidenze sono il frutto di uno studio basato sulle osservazioni effettuate dal satellite dell’ASI AGILE (Astrorivelatore Gamma a Immagini LEggero) e realizzato da un gruppo di ricerca italiano che coinvolge studiosi di diversi enti e università, ASI, INAF, INFN, CNR, Università di Roma Tor Vergata, Università di Padova. Il lavoro è stato recentemente pubblicato nella rivista internazionale NHESS (Natural Hazards & Earth System Sciences) e i risultati sono stati appena presentati ufficialmente anche a Vienna in occasione del convegno della European Geosciences Union (EGU).

Lo studio mette in luce una classe particolare di lampi, i cosiddetti ‘Lampi Gamma Terrestri’ (Terrestrial Gamma-Ray Flashes, TGF) che producono radiazione gamma di alta energia accelerando particelle cariche (elettroni) fino a energie corrispondenti a potenziali elettrici di centinaia di milioni di Volt. Valori estremi che rappresentano il limite massimo di differenze di potenziale che possono instaurarsi tra nubi e terra o tra una nube e l’altra. Finora AGILE ha rivelato molte centinaia di Lampi Gamma Terrestri da quando è entrato in funzione nel 2007 e grazie agli strumenti di cui è dotato è l’unico al mondo a rivelarli alle energie più alte, continuando a farlo con grande efficienza.

I ricercatori stanno studiando il fenomeno con grande attenzione, specie per le importanti conseguenze che può avere, sia nell’ambiente terrestre che per le attività umane. I Lampi Gamma infatti producono nell’atmosfera un intenso fascio di radiazione e particelle (elettroni e neutroni) che influenzano l’ambiente circostante in modo sostanziale. In particolare, la radiazione e il flusso di particelle possono interagire con aerei che si trovino a volare nell’immediata prossimità della scarica. Tale evenienza può verificarsi a maggior ragione in quanto nei temporali spesso è l’aereo stesso che attiva la scarica del lampo. In presenza di potenziali elettrici molto grandi che accelerano le particelle cariche alle alte energie, tale lampo può divenire un Lampo Gamma.

Gli aerei hanno numerosi sistemi di sicurezza per proteggersi dalle scariche elettriche dei lampi ordinari, ma il flusso elettromagnetico e di neutroni prodotto dal Lampo Gamma può essere molto intenso ed è sostanzialmente diverso dalla scarica elettrica dei lampi ‘normali’. Esiste la possibilità che le componenti elettroniche degli aerei commerciali (oltre che le persone) possano essere influenzati e danneggiati dai flussi combinati di radiazione e particelle dei Lampi Gamma Terrestri in particolari condizioni.

Un gruppo di ricerca italiano sta studiando il problema dell’influenza dei Lampi Gamma sugli aerei da diversi anni. “Abbiamo esaminato vari possibili scenari di interazione della radiazione e particelle dei Lampi Gamma con le componenti elettroniche degli aerei di linea”, afferma Marco Tavani (INAF) coordinatore del gruppo. “La componente più pericolosa consiste nel flusso di neutroni che possono essere generati all’interno dell’aereo. Si genera un ‘flash’ di particelle che possono influenzare componenti elettroniche critiche dell’aereo. È una possibilità che merita la massima attenzione e che richiede uno studio approfondito. Stiamo proponendo di usare i dati del satellite AGILE che opera sulle zone equatoriali per una mappatura e allerta dei Lampi Gamma. Inoltre vorremmo poter effettuare nuove misurazioni sia a terra che in volo che possano condurre a comprendere il fenomeno e a migliorare la sicurezza del volo aereo. Si tratta di eventi potenzialmente rari ma non per questo da trascurare. Il nostro gruppo in Italia è all’avanguardia per lo studio dei Lampi Gamma Terrestri e delle loro implicazioni per l’ambiente, il clima e il volo aereo”.

“Definire le condizioni elettriche dinamiche e microfisiche che trasformano una nube temporalesca in una sorgente di Lampi Gamma è un importante obiettivo, ed è raggiungibile utilizzando le più avanzate misure e tecniche di telerilevamento delle caratteristiche delle nubi in sinergia con le misure del flusso elettromagnetico e di neutroni”, dice Stefano Dietrich (CNR-ISAC).   “Stiamo affrontando un aspetto completamente nuovo mettendo a sistema le eccellenti competenze nazionali in un contesto multidisciplinare con notevoli ricadute applicative: condizioni perfette per la ricerca moderna.”

“L’importante risultato ottenuto dal Team scientifico del satellite AGILE dimostra come la preparazione professionale in campo astrofisico, proprio perché allenata ad affrontare problemi complessi, sia in grado di riconoscere eventi inattesi che hanno rilevanza in campi diversi da quelli normalmente perseguiti e di dedicarvisi con grande flessibilità, acquisendo in tempi brevi le necessarie competenze. È un dato su cui meditare anche in fase di valutazione e riforma dei percorsi formativi universitari”, dice Piero Benvenuti (Università di Padova).

“L’alto flusso di fotoni energetici (raggi Gamma) dei Terrestrial Gamma-Ray Flashes,rivelati all’altezza dell’orbita di AGILE,considerando che i vertici dei TGF i si trovano a circa 15 Km dalla superfice terrestre, implica che nei campi elettrici generati dalle nubi temporalesche  si devono accelerare un elevato numero di elettroni” dice Guido Barbiellini (INFN e Università di Trieste). “La densità di particelle cariche alle quote poco superiori delle nubi è calcolabile dal flusso misurato in orbita, e risulta molto elevata e concentrata in tempi anche inferiori al millesimo di secondo. Queste potenze devono essere ben conosciute per studiarne gli effetti sull’atmosfera e sulle apparecchiature elettroniche degli aerei. Lo studio dettagliato dei meccanismi di accelerazione nel plasma e della propagazione del fascio complesso di gamma e neutroni permette di studiare la teoria di questi ancora sconosciuti fenomeni e di fare previsioni sullo spettro energetico delle particelle e quindi di poter prevedere eventuali aspetti pericolosi per i passeggeri e per le strumentazioni di volo”.

Sì, è proprio il bosone di Higgs

Sì, è proprio il bosone di Higgs

HiggsSicuri al 100 per cento. La particella osservata per la prima volta il 4 luglio del 2012 al Cern di Ginevra è proprio il bosone di Higgs. L’annuncio definitivo è arrivato in via ufficiale da Sergio Bertolucci, direttore della ricerca del Cern, nel corso di una conferenza tenuta a Le Thuile in Valle d’Aosta. Nel corso degli otto mesi successivi alla prima osservazione gli scienziati hanno continuato a lavorare intorno all’acceleratore di particelle Lhc per ottenere le conferme relative. Le misure effettuate sulla particella, rivelatasi essere il bosone di Higgs, hanno confermato che essa ha spin pari a zero come previsto dal modello standard elaborato nel 1964 da Peter Higgs che teorizzò l’esistenza del nuovo bosone. La sua presenza era necessaria per spiegare come mai le particelle fondamentali hanno una massa, e anziché schizzare nell’universo alla velocità della luce interagiscono, si attraggono l’una con l’altra e formano la materia così come la vediamo sulla Terra e negli astri. C’è grande soddisfazione nella comunità dei fisici, quasi diecimila, che hanno contribuito al raggiungimento di questo eccezionale risultato. A guidarli sono stati Fabiola Gianotti e Guido Tonelli. La conferma dell’avvenuta scoperta del bosone di Higgs traccia un nuovo e prevedibilmente lungo filone di ricerca che riguarda la materia oscura, quella che per il 96% della massa dell’universo resta invisibile ai nostri occhi.