AMS: alla ricerca dell'altra materia

Antimateria,materia oscura, materia strana. A un secolo di distanza dalla scoperta della radiazione cosmica effettuata da Hess, un gruppo di scienziati ha deciso di partire alla ricerca dell'altra materia" analizzando con grandissima precisione il flusso di raggi cosmici primari che bombardano la terra alla ricerca di componenti ultra rare e nuove forme di materia che non possono essere prodotte in laboratorio. 

Nasce AMS,  una collaborazione internazionale di circa 600 ricercatori provenienti da 60 istituti in 16 nazioni, che nel 1994 propose di installare un grande spettrometro magnetico sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). 

L'Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 è dunque un esperimento di fisica delle particelle nello spazio, un'avanzato rivelatore di particelle progettato e realizzato per operare su di un modulo agganciato esternamente alla International Space Station il cui scopo è studiare i raggi cosmici in cerca di tracce di antimateria e materia oscura, e che vede l'Italia come primo contributore, con circa il 25% del totale. 

La ISS non era stata concepita per studiare l'Universo con esperimenti come AMS: i suoi obiettivi scientifici riguardavano scienze che vanno dalla biomedicina alle scienze dei materiali specificatamente per gli effetti legati alla microgravità ma man mano che la ISS prendeva forma (costruita a partire dal 1998) ci si rese conto che era il luogo ideale per condurre esperimenti di nuova generazione. AMS infatti non è un telescopio bensì un rivelatore di particelle alla ricerca di eventi ultra rari. Dunque non ha bisogno di puntare con precisione in una direzione specifica dello spazio ma di una grande superficie esposta e lunghi tempi di misura.

E' stato dapprima realizzato un esperimento pilota, l' AMS-01, che ha volato con successo sullo Shuttle Discovery dal 2 al 12 Giugno 1998 mentre lo spettrometro definitivo, l'esperimento AMS-02,è stato lanciato dallo Space Shuttle Endeavour il 16 Maggio del 2011.

L'obiettivo è l'identificazione di ogni particella che lo attraversa con un'energia relativistica.

Come è fatto AMS ?  Il nucleo dello spettrometro è il magnete, posto al centro dell'apparato e circondato da sei strumenti principali che concorrono all'identificazione accurata di ogni particelle che li attraversa. 

Il magnete è un magnete permanente che è stato realizzato in Cina con più di 4000 blocchi di NdFeB (Neodimio-Ferro-Boro) il più potente materiale magnetico esistente. Inizialmente si pensava di utilizzare un magnete superconduttore ma l'annuncio agli inizi del 2010 dell'estensione della missione fino al 2020, con la possibilità di arrivare al 2028 fece optare per un magnete permanente. 

I blocchi sono orientati in modo tale da realizzare un cilindro in grado di racchiudere completamente il campo magnetico delle sue pareti. Questa caratteristica è importantissima: il magnete deve infatti avere un campo dipolare residuo praticamente nullo, non deve cioè comportarsi come una bussola, altrimenti forzerebbe la ISS ad orientarsi in modo diverso nei diversi punti dell'orbita, interagendo con il campo magnetico terrestre che si estende ben oltre l'orbita della ISS.

Con riferimento all'immagine sopra, e procedendo dall'alto verso il basso incontriamo una serie di rivelatori tipici degli esperimenti per gli acceleratori di particelle:

1) il TRD (Transition Radiation Detector), che ha il compito di distinguere fra le particelle di piccola massa (elettroni e positroni) e quelle di massa maggiore ( protoni ed altri nuclei atomici).

2) il ToF ( Time of Flight) è invece il cronometro di AMS. Composto da due elementi piani posti prima e dopo il magnete il ToF è in grado di misurare con altissima precisione ( fino a 1,6 x 10^-10 s) il tempo di passaggio di una particella attraverso l'esperimento. Il suo principale obiettivo è quello di allertare gli altri rivelatori dell'arrivo di un raggio cosmico in modo che l'elettronica di acquisizione possa registrare i segnali prodotti dal suo passaggio nei vari rivelatori.

3) All'interno del magnete troviamo il cuore del cacciatore di antimateria il tracciatore di silicio o Tracker  l'unico sottosistema in grado si separare particelle di carica positiva da quelle a carica negativa a partire dalla misura della deflessione della traettoria.

Il tracker è stato realizzato da circa 2500 placchette di silicio ultrapuro ricoperto da migliaia di diodi a forma di microstrisce. Collegando opportunamente questi milioni di microstrisce è possibile determinare il punto di pasaggio di ciascuna particella con la precisione di pochi micron.

4) Per raffreddare l'elettronica del tracciatore è stato realizzato un sistema bifase basato su CO₂, che è il più complesso sistema a doppia fase mai utilizzato nello spazio ed è in grado di rimuovere e trasportare ai radiatori 150W di potenza su un volume di più di un metro cubo.

5) Più in basso ancora, quasi alla base dell'espeimento incontriamo RICH, il rivelatore a i mmagini Cherenkov che misura la velocità delle particelle misurando le forme geometriche ( archi di cerchi o ellissi) prodotte dalla deposizione dei fotoni emessi per effetto Cherenkov sul suo piano focale

6) Infine nella parte più bassa troviamo ECAL, il calorimetro elettromagnetico: si tratta di un particolarissimo mattone di piombo, pesante 600 kg ma "trasparente" alla luce, in quanto formato da sottili fogli di piombo incollati con fibre scintillanti lette da fotomoltiplicatori. Le particelle incidenti interagiscono con questo materiale denso dando luogo ad uno sciame di bassa energia. La luce raccolta nelle fibre permette di determinare la forma dello sciame, da cui si può risalire alla particella iniziale ed alla sua energia.

AMS raccoglierà centinaia di milioni di particelle di raggi cosmici primari, misurando la composizione della radiazione cosmica con un energia compresa tra i 100 MeV e i 5 TeV, producendo un flusso di dati da 7 gigabit al secondo che verranno inviati a terra dopo una procedura di riduzione online. Il sistema di acquisizione e riduzione dati a bordo di AMS gestisce circa 300.000 canali di lettura, pari al numero di canali di elettronica della ISS nel suo insieme.

Si diceva sopra che il contributo italiano è determinante: l'italia ha infatti progettato e realizzato il ToF, il tracciatore al silicio, RICH e il calorimetro elettromagnetico.Inoltre il trasferimento dei dati a terra e la gestione della banche dati è a cura della sezione dell'INFN di Milano Bicocca. I ricercatori italiani si sono valsi del supporto di industrie aereospaziali coma le Carlo Gavazzi Spazio (Milano), la G&A Enigineering (Carsoli AQ), FBK-irst (Trento) CAEN Aereospace (Viareggio), Euromec (Parma), Ri-Ba Composites (Faenza), Carso (Trieste). Almeno tre spin.off sono nati grazie all'interazione tra il sistema della ricerca  ed il mondo dell'impresa, stimolata dal progetto AMS.

GLI OBIETTIVI SCIENTIFICI DI AMS-02

Lo spazio rappresenta un punto straordinario di osservazione per misurare con precisione la radiazione cosmica che investe la Terra prima che venga filtrata dall'atmosfera. Sappiamo che la componente carica dei raggi cosmici primari è formata da particelle di materia elementare ( protoni , elettroni) o complessa ( nuclei atomici completamente ionizzati) e da antiparticelle elementari (anti protoni, positroni). Il flusso delle varie componenti cambia molto col tipo di particelle e la loro energia.: circa l'89% corrisponde a protoni, circa il 10% a particelle alfa , l' 1% a nuclei più pesanti , dal litio fino al ferro e oltre. Meno dell'1% sono elettroni. Ma c'è un'altra componente molto rara ma particolarmente interessante : l'antimateria. Le anti particelle che si osservano nei raggi cosmici sono prodotte dalle interazioni di particelle elementari primarie con il materiale interstellare e sono presenti al livello di parti per mille (positroni) o per diecimila (antiprotoni). La presenza di antimateria nucleare più pesante e complesa degli anti protoni, come antideuterio, antielio e cosìvia, non è mai stata oservata nei RC entro un livello di sensibilità di circa una parte per milione.

La rivelazione di un nucleo di antielio o di anti carbonio avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la nostra comprensione dell'universo primordiale: infatti come i nucleio atomici sono formati da processi di fusione nucleare nelle stelle, la presenza di antinuclei nei raggi cosmici primari implicherebbe l'esistenza di zone dell'universo popolate da stelle, pianeti, galassie formati interamente di antimateria.

Se poi guardiamo alla scala dell'Universo , le proprietà della materia ordinaria sono al centro di uno dei più affascinanti problemi dell'astrofisica e della cosmologia contemporanee. Innanzitutto non si capisce bene cosa sia successo nei primi istanti dopo il big bang. Siamo portati ad assumere che all'inizio l'Universo fosse simmetrico e che vi fossero uguali quantità di materia ed antimateria. L'inevitabile, violentissima annichilazione tra materia ed antimateria che seguì l'esplosione iniziale sembra però aver permesso la sopravvivenza di circa una parte per miliardo di particelle mentre ha portato alla scomparsa di tutte le corrispondenti antiparticelle. Inoltre , calcolando  quanta materia è necessaria per descrivere i risultati delle misure della radiazione cosmica di fondo ( CMB) e degli esperimenti che misurano il tasso di espansione del nostro universo a distanze cosmologiche risulta in modo inequivocabile che la materia di cui siamo fatti ( sostanzialmente elettroni, protoni, neutroni e neutrini) corrisponde a poco meno del 5% del bilancio di energia e massa dell'Universo.

Il cosmo risulta pieno di un nuovo tipo di materia, almeno sei volte più abbondante di quella ordinaria, formata da particelle neutre che però non emettono luce come fanno invece gli atomi di cui siamo composti e che per questo motivo vengono chiamate "materia oscura". E' materia "oscura" perchè non si vede ma anche perchè non sappiamo nulla sulle particelle che la compongono. 

Ecco perchè è così interessante curiosare nella materia dei raggi cosmici, che ci raggiunge dalle profondità dell'Universo: per cercare altre forme di materia che non siamo in grado di produrre nei nostri laboratori.

Video ed animazioni interessanti si possono trovare alla pagina http://www.ams02.org/multimedia/movies/

Fonte : "AMS: alla ricerca dell'altra materia" - Le Scienze - Marzo 2011