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AMS-02, nuovi indizi sulla materia scura

Uno degli scopi principali dell’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), che si trova nello spazio a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, è quello di studiare i raggi cosmici misurandone con una precisione elevata la loro composizione e il flusso. Una piccola frazione di queste particelle super energetiche può originarsi a seguito delle collisioni tra le “particelle candidate” di materia scura che permea la nostra galassia. Oggi, nuovi dati raccolti dal rivelatore AMS suggeriscono che l’identificazione di un segnale positivo legato alla presenza di materia scura sia veramente alla portata dei fisici. Ricordiamo che la materia scura è quella misteriosa componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo.
Il grafico mostra la frazione del numero di positroni misurati da AMS rispetto a quella prevista. Ci sono più elettroni rispetto ai positroni che colpiscono l’atmosfera terrestre. Gli scienziati possono ricavare il tasso di positroni rispetto a quello degli elettroni in assenza di qualsiasi nuovo fenomeno. E’ ben noto il fatto che il tasso misurato di positroni non è in accordo con le previsioni. Infatti, dal grafico si vede che già a valori di qualche GeV i dati iniziano a deviare. Credit: AMS Collaboration

I ricercatori che lavorano all’esperimento studiano la quantità di materia e di antimateria dei raggi cosmici di diversa energia che arriva al rivelatore. Finora, AMS ha registrato 54 miliardi di eventi di cui ne sono stati analizzati 41 miliardi. I teorici ipotizzano che ad energie molto elevate, la quantità di positroni, che sono le antiparticelle degli elettroni, dovrebbe diminuire rispetto a quella degli elettroni. Ed è ciò che effettivamente ha osservato AMS. Tuttavia, nel 2013 gli scienziati trovarono che al di là di una certa energia, cioè 8 GeV, la quantità di positroni aumenta rapidamente (post). E’ qualcosa di inaspettato che ha lasciato i fisici alquanto sorpresi. Forse si tratta di un segnale legato ad una nuova fisica? Questo eccesso di positroni potrebbe essere associato ad un oggetto astronomico noto, come una pulsar. Ma i positroni possono essere prodotti a seguito delle collisioni delle particelle di materia scura. In questi giorni, il Premio Nobel Samuel Ting ha annunciato i risultati di una nuova scoperta di AMS relativamente all’altra estremità di questo incremento di positroni, una indicazione del fatto che l’esperimento sarà in grado, si spera, di discriminare ciò che lo ha causato. Il decremento di positroni rivelato da AMS inizia attorno a 275 GeV. Se le particelle di materia scura aventi una certa massa sono davvero responsabili dell’eccesso di positroni, allora quei positroni in eccesso dovrebbero diminuire rapidamente ad un valore di energia che corrisponde alla massa della particella costituente la materia scura.

Ciò implica che la massa delle particelle di materia scura dovrebbe avere un valore nella scala dei TeV.

Dunque, se il numero di positroni ad energie più elevate decresce rapidamente, il tasso con cui esso diminuisce può fornire agli scienziati maggiori indizi sul tipo di particelle che hanno causato in primo luogo l’incremento. In altre parole, particelle differenti producono curve diverse e con una statistica migliore dovremmo essere in grado tra qualche anno di capire in dettaglio questo andamento. Se, invece, il numero di positroni decresce gradualmente, è molto più probabile che essi siano prodotti da qualcosa d’altro, ad esempio dalle pulsar.

La frazione di positroni misurata da AMS. Il grafico in alto mostra la pendenza. Nel grafico in basso, si vede come il numero di positroni aumenta inaspettatamente a partire da circa 8 GeV. Inizialmente, esso aumenta rapidamente, con un incremento molto lento sopra i 10 GeV, e sale fino a circa 250 GeV. AMS registra un andamento inverso a partire da 275 ± 32 GeV. L’andamento inverso della curva potrebbe indicare la massa di un decadimento particellare. I dati di AMS parlano di particelle di materia scura con un valore della massa nella scala dei TeV. Inoltre, non si notano particolari strutture o picchi. D’altra parte, l’eccesso osservato è troppo alto per essere spiegato dalla maggior parte dei modelli che implicano la presenza di una ‘nuova fisica’ perciò bisogna stare attenti quando si parla di questo e pensare meglio, invece, ad una origine di natura astrofisica per spiegare l’eccesso di positroni osservato. Ma, forse, a nessuna di queste ipotesi. Credit: AMS Collaboration

Per avere un quadro più chiaro, gli scienziati hanno iniziato a raccogliere dati da un altro processo correlato a coppie protoni-antiprotoni che le pulsar non producono. Bisogna dire che nell’intervallo 8-275 GeV, dove l’andamento del numero di positroni aumenta costantemente, non si osservano particolari picchi e ciò potrebbe indicare delle sorgenti diverse, o in aggiunta, alla materia scura. In più, i dati di AMS suggeriscono che i positroni e gli elettroni si comportano in maniera molto diversa ad energie più elevate mentre quando i loro flussi vengono combinati essi sembrano unirsi inaspettatamente in una singola linea retta. “Ciò dimostra che sappiamo veramente poco dello spazio“, ha commentato Ting.

Symmetry: Pursuit of dark matter progresses at AMS
Collider Blog: New AMS Results – hints of TeV Dark Matter?
Resonaances Blog: Dark matter or pulsars? AMS hints it's neither
Physical Review Letters: High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station

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