AMS-02: una pulsar e l'origine dell'antimateria

The $1.5bn Alpha Magnetic Spectrometer on board the International Space Station. (Courtesy: NASA)

L’esperimento AMS sulla ISS. (Credit: NASA).

Invocare la materia oscura per spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria, come l’eccesso di positroni rilevato l’anno scorso dall’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) non sembra una strategia esplicativa molto proficua. Alcuni scienziati avevano provato ad intraprendere questa strada, ora invece sembra che l’intero set di dati raccolti possa essere inteso in altro modo. O, almeno, così sembra da un articolo appena comparso sulla rivista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ma andiamo con ordine e vediamo cosa è successo nell’aprile del 2013. 

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) è un cacciatore di antimateria. Si tratta di un grande spettrometro che opera sulla Stazione Spaziale Internazionale dall’estate del 2011. Martedì 3 aprile il Prof. Samuel Ting ha comunicato i primi risultati degli studi fino ad ora condotti attraverso un articolo pubblicato l’anno scorso sulla rivista “Physics Review Letters”, una conferenza stampa alla NASA e un seminario al CERN. L’AMS è stato progettato per condurre vari esperimenti: quello di cui ci occupiamo concerne la misurazione dell’antimateria in eccesso nel flusso di raggi cosmici, prima che questi possano interagire con l’atmosfera terrestre. Già due decenni fa si era osservato un eccesso di antimateria, la cui origine non è ancora chiara.

Con antimateria si intende l’insieme della antiparticelle che corrispondono per massa alle particelle che costituiscono i corpi, ma che hanno segno opposto. All’eccesso di antimateria corrisponde un fenomeno che destato l’attenzione dei fisici: l’aumento della frazione di positroni (le antiparticelle dell’elettrone) rispetto agli elettroni al crescere dell’energia. Che cosa significa? L’AMS osserva i raggi cosmici. Gli oltre 400.000 positroni rilevati da AMS rappresentano il più grande campione di particelle di antimateria di alta energia misurate direttamente nello spazio. L’analisi di 25 miliardi raggi cosmici primari ha registrato l’aumento anomalo dei positroni e per la prima volta è stato possibile determinare che il tasso di crescita con l’energia diminuisce di dieci volte tra 20 e 250 GeV.  A energie superiori a 250 GeV lo spettro sembra appiattirsi, come se avesse raggiunto un valore limite e iniziasse a scendere: per studiarne il comportamento al di sopra di 250 GeV è però necessario aumentare ulteriormente la statistica.

“Essendo la misura più precisa del flusso cosmico positroni fino ad oggi ottenuta, questi risultati mostrano chiaramente la potenza e le capacità del rivelatore AMS”, ha commentato il portavoce AMS, Samuel Ting. “Nei prossimi mesi, AMS sarà in grado di dirci in modo conclusivo se questi positroni sono un segnale della presenza della materia oscura, oppure se hanno qualche altra origine”. Il risultato, infatti, è coerente con l’ipotesi che i positroni provengano dalla annichilazione di particelle di materia oscura, ma non è ancora abbastanza conclusivo da escludere altre spiegazioni che potrebbero essere addirittura alternative ad Modello Standard: la supersimmetria, ad esempio.

Materia oscura o supersimmetria? La natura della materia oscura è ancora, per molti aspetti, un mistero: si tratta di una sostanza invisibile e misteriosa che può essere individuata solo indirettamente, grazie alla forza gravitazionale che essa esercita. Gli studi sugli ammassi di galassie condotti negli anni trenta da F. Zwicky e S. Smith ne hanno evidenziato per la prima volta l’esistenza. Un ammasso è un aggregato di molte galassie separato da grandi spazi vuoti: F. Zwicky e S. Smith hanno osservato che le velocità degli aggregati sono decisamente superiori a quelle previste per un sistema gravitazionale standard – intendendo con questo termine un sistema in cui la cui massa totale è identica a quella della materia visibile. L’esistenza di una materia non visibile (dunque oscura) rappresenta una larga percentuale della massa-energia totale dell’Universo (a seconda delle interpretazioni, questa massa oscilla tra il 72% e il 90% circa).

(Credit: INFN).

La supersimmetria potrebbe costituire un’alternativa al campo di Higgs per spiegare l’origine della massa. Tuttavia, i risultati dell’LHC del CERN hanno confermato le previsioni del Modello Standard, mettendo in scacco le ipotesi alternative. La supersimmetria (o SUSY, da SUper SYmmetry) è stata formulata per rendere conto dei fenomeni della fisica delle particelle che rimangono inspiegati nell’ambito del Modello Standard. La peculiarità di questa ipotesi è semplice: a ogni particella bosonica, dotata cioè di spin intero, si associa una particella fermionica (o superpartner) dotata di spin semi-interi (in modo correlativo, ogni fermione ha un superpartner bosonico). Dobbiamo ammettere che sembra una tesi abbastanza esotica.

Perché abbiamo bisogno della supersimmetria? Ecco tre buoni motivi: (i) consente di unificare le tre forze fondamentali della natura, una volta raggiunte le energie più elevate; (ii) prevede l’esistenza di particelle che potrebbero costituire la materia oscura; (iii) permette di risolvere il problema della differenza di intensità tra forza nucleare debole e forza gravitazionale – di 32 ordini di grandezza a favore della forza debole (ciò significa che è 100.000 miliardi di miliardi di miliardi più intensa). Tuttavia, benché il modello standard sia solidamente confermato dagli esperimenti, sul tappeto rimangono ancora molti problemi. L’aumento anomalo dei positroni è un dato di fatto: resta ora da capire se possa essere spiegato all’interno del Modello Standard oppure no.

Il rapporto atteso positroni-su-elettroni nelle due configurazioni di AMS-02, assumendo un particolare modello di annichilazione della materia oscura. (Credit: ams02.org).

Bene, ad oggi questo eccesso di positroni, peraltro già osservato dai satelliti PAMELA e Fermi nel 2008 e nel 2011, non può essere spiegato chiamando in causa le WIMPs, nel senso che il picco non avrebbe nulla a che fare con la materia oscura. A sostenerlo è un nuovo modello teorico ideato dal team di ricercatori guidato da Mattia di Mauro dell’Università di Torino. Riprocessando i dati di AMS- 02, picco incluso, i ricercatori hanno concluso che è possibile fornire una spiegazione senza ricorrere alla materia oscura, ma chiamando in causa le pulsar. Più in dettaglio, sono stati in grado di rimodellare il flusso di positroni/elettroni in modo coerente con i dati relativi alle emissioni standard descritte nel ATNF Pulsar Catalogue.

Mappando il modo in cui queste particelle si propagano nella Via Lattea, è stato possibile determinare i picchi di energia che le caratterizzano. Ovviamente non tutti sono convinti. C’è ancora chi, come Subir Sarkar (Oxford University) pensa che l’energia in surplus derivi dall’onda d’urto di una supernova. Una risposta definitiva potrebbe giungere dal prossimo rilascio di dati da parte di AMS-02.

(Fonte: http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/apr/15/could-pulsars-explain-the-positron-exces).

Paper di riferimento:

M. Di Mauro et alii., Interpretation of AMS-02 electrons and positrons data, in “Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“, 4, (2014): doi:10.1088/1475-7516/2014/04/006.

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