Messaggeri dell’Universo ‘invisibile’

Abbiamo detto varie volte che la materia ordinaria rappresenta quasi il 5% dell’Universo, tutto il resto è qualcosa di invisibile a cui gli scienziati hanno dato il nome di materia scura ed energia scura. Oggi, un gruppo di ricercatori che lavoreranno ad un nuovo esperimento che sarà condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia sperano di far luce su alcuni misteri della fisica ancora irrisolti.

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L’esperimento Belle II: alla ricerca di una ‘nuova’ fisica

L’esperimento Belle è un esperimento di fisica delle particelle a cui lavorano più di 400 fisici e ingegneri nell’ambito di una collaborazione internazionale. L’obiettivo è studiare la violazione CP e i suoi effetti. L’esperimento si trova all’acceleratore KEKB, situato all’interno della High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) in Tsukuba, Giappone. 

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.

E se la velocità della luce fosse ‘apparentemente’ più bassa?

E’ quanto afferma in un articolo pubblicato sulla rivista New Journal of Physics James Franson, un fisico dell’Università del Maryland, che ha catturato subito l’attenzione della comunità scientifica. La relatività generale ci dice che la luce viaggia nel vuoto ad una velocità costante pari a 299.792.458 metri al secondo e viene indicata con il simbolo c nelle famose equazioni di Einstein. Ma dove sta il problema?

AMS-02, i primi risultati suggeriscono l’esistenza di un ‘oceano’ di materia scura

Il grafico illustra l’eccesso di positroni in funzione dell’energia delle particelle. I dati sono abbastanza bene descritti, anche se non confermati, dal modello che spiega la materia scura costituita dalle particelle WIMPs.
Credit: CERN

Il 29 Aprile 2011 è stata l’ultima missione dello Space Shuttle Endeavour (STS-134), la penultima del programma STS, che ha portato a bordo l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un rivelatore di particelle costruito appositamente per operare nello spazio agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). AMS è stato concepito per fornire le risposte ad alcune questioni fondamentali della fisica delle particelle ed in particolare allo studio dell’antimateria, della materia scura, dell’energia scura e dei raggi cosmici.

Dopo quasi due anni di osservazioni, i primi risultati, sebbene preliminari, suggeriscono che le ‘impronte digitali cosmiche’ le cui tracce sono presenti nei raggi cosmici sono il frutto dell’esistenza di materia scura, quella enigmatica e misteriosa componente di materia invisibile che caratterizza quasi il 27% del contenuto materia-energia dell’Universo (post). Naturalmente, il caso non è chiuso dato che queste prime evidenze potrebbero essere associate ad altre sorgenti di radiazione come, ad esempio, le pulsar. Il Premio Nobel Samuel Ting, che è responsabile del programma scientifico, è convinto che nei prossimi mesi avremo qualche dato più certo e che al momento non è ancora possibile risolvere questo ‘puzzle’ astrofisico. Ciò che risulta chiaro è il fatto che c’è qualcosa, in altre parole esiste un segnale evidente ma non sappiamo di che cosa si tratti. Il mistero della materia scura risale agli anni ’30 quando Fritz Zwicky ottenne le prime evidenze relative all’esistenza di un eccesso di materia invisibile negli ammassi di galassie. Da lì in poi fino ad arrivare ai più recenti esperimenti, sia con gli acceleratori di particelle che con speciali rivelatori sotterranei, non è mai stato ottenuto un risultato significativo che ci permetta di svelare il segreto della materia scura. Oggi, però, c’è un modo diverso di guardare alle rare collisioni delle particelle che avvengono nello spazio. Infatti, nel momento in cui due particelle di materia scura interagiscono e annichilano, ci si aspetta che esse lascino una sorta di “impronta” costituita da positroni, cioè le antiparticelle degli elettroni, ad elevate energie. E’ ciò che stanno cercando Ting ed il suo gruppo di ricercatori. La notizia è che sono state trovate alcune tracce interessanti ma potrebbero essere associate alle pulsar. Per capire allora a quale sorgente esse siano correlate occorrerà analizzare il grafico che riguarda il segnale emesso dai positroni: se la curva assume un determinato andamento potrebbe essere consistente con l’ipotesi delle WIMPs, che sono le particelle candidate per costituire la materia scura, altrimenti bisogna ricorrere alle pulsar. Dunque, questo comportamento potrebbe rappresentare per gli scienziati la discriminante. Infatti, una delle proprietà delle particelle WIMPs è che quando esse collidono si ha la produzione di una certa quantità di energia e la formazione di particelle subatomiche, secondo l’equazione di Einstein che esprime l’equivalenza tra la massa e l’energia (E = mc²). Questo processo è simile a quello che avviene quando un elettrone e un positrone collidono liberando una certa quantità di energia. Nel caso delle particelle WIMPs uno dei risultati del processo di autoannichilazione è proprio la creazione di elettroni e positroni. AMS-02 è stato concepito per rivelare queste particelle. I dati che sono stati raccolti dal rivelatore durante i primi 18 mesi di osservazioni si riferiscono a circa 25 miliardi di eventi rari che sono collegati ai raggi cosmici di cui circa 7 milioni sono nella forma di elettroni e positroni. Analizzando questi dati preliminari è stato trovato qualcosa di interessante: un eccesso di positroni rispetto a quanto ci si aspetta dal segnale di fondo dovuto alle sorgenti di radiazione ordinaria, già osservato da altri esperimenti ma ora misurato da AMS-02 con una precisione migliore. Tutto questo è consistente con quanto previsto nel caso in cui le particelle di materia scura siano di tipo WIMPs. Fantastico, anche se non possiamo concludere ancora nulla. Di fatto, ci potrebbero essere altre sorgenti, appunto come le pulsar, che si originano quando stelle massicce esplodono formando le stelle di neutroni in rapida rotazione. Questo processo dà luogo alla creazione di particelle di alta energia il cui segnale può assomigliare a quello dovuto alle WIMPs. Per completezza di informazione segnaliamo che c’è chi ritiene che questi risultati preliminari siano incorretti e fuorvianti (post). Comunque sia, staremo a vedere cosa accadrà nei prossimi mesi. AMS-02 continuerà ad osservare i raggi cosmici, dove si celano le tracce di questi segnali, fino al 2020. Insomma, si tratta di una storia affascinante, un giallo da risolvere che secondo Michael Turner, uno dei più grandi esperti del ‘settore scuro’ dell’Universo, potrebbe ben presto arrivare ad una conclusione.

AMS-02: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer Experiment

Physical Review Letters: The first results from the space-borne Alpha Magnetic Spectrometer confirm an unexplained excess of high-energy positrons in Earth-bound cosmic rays

Physical Review Letters: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station:Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV

LEP3, guardando oltre il grande collisore di adroni

La figura illustra il progetto LEP3 con il doppio anello di acceleratori: un primo anello (accelerator ring) accelera elettroni e positroni fino ad energie di 120 GeV per poi immetterli con intervalli di qualche minuto nell’altro anello (collider ring) che è dotato di punti d’interazione ad elevata luminosità.

Nonostante gli ultimi clamorosi risultati ottenuti dal Large Hadron Collider (LHC), un gruppo di fisici sta guardando oltre l’utilità che può dare nei prossimi anni il grande collisore di adroni. Si tratta di un progetto scientifico che vedrà la costruzione di un nuovo acceleratore di particelle, denominato LEP3, che dovrebbe essere collocato nel tunnel attualmente occupato da LHC, una versione aggiornata, per così dire, di quello che qualche tempo fa era il Large Electron-Positron Collider (LEP). Il gruppo di fisici coinvolti in questo progetto dichiarano che il nuovo collisore sarà utilizzato per studiare essenzialmente il bosone di Higgs.

Oggi, una delle domande fondamentali che si pongono i fisici è quella di capire quale sarà il passo successivo una volta che LHC avrà dato, si spera, la prova definitiva dell’esistenza del bosone di Higgs. Certamente si tratta di un programma a lungo termine che dovrebbe vedere la sua realizzazione a partire dal 2030 dato che occorreranno anni per progettare e costruire un tale complesso acceleratore di particelle. Nonostante ciò, i fisici sono già pronti per la fase successiva. Intanto, bisogna dire che tutti concordano sul fatto che LHC sarà soggetto ad una serie di manutenzioni nel corso dei prossimi dieci anni al fine di incrementare l’energia e la luminosità dei fasci di collisione. Poi bisognerà vedere cosa intendono fare gli scienziati in termini di nuovi esperimenti. Se, ad esempio, saranno trovate evidenze dell’esistenza delle superparticelle, cioè le particelle previste dalla supersimmetria, quasi sicuramente i fisici vorranno approfondire gli studi in questo campo mettendo, forse, a rischio gli esperimenti che saranno focalizzati quasi esclusivamente sul bosone di Higgs e a cui potrebbe dedicarsi, appunto, LEP3. Per non parlare poi di altri progetti quali l’International Linear Collider (ILC) o il Compact Linear Collider (CLIC) che potrebbero dedicarsi alla ricerca di altre particelle anche se con un costo decisamente superiore. Una differenza sostanziale tra LHC e LEP3 è data dal tipo di particelle che vengono fatte collidere. Mentre in LHC si fanno scontrare fasci di protoni, per LEP3 sono previste collisioni tra fasci di elettroni e positroni. Inoltre, LEP3 sarà dotato di due anelli di acceleratori anzichè uno come nel caso di LHC. Insomma, i fisici sperano che con l’attuale tecnologia LEP3 possa essere realizzato in circa dieci anni e che potrà coesistere con LHC almeno per qualche anno.

ArXiv: LEP3: A HIGH LUMINOSITY E+E- COLLIDER TO STUDY THE HIGGS BOSON

Probabile connessione tra positroni e materia scura?

Uno dei misteri della moderna cosmologia, come abbiamo detto più volte, è quello di capire cos’è la materia scura, quella componente misteriosa che costituisce il 23% circa di ciò di cui è fatto l’Universo. Attualmente, gli astrofisici sono impegnati in una campagna di osservazioni sia sulla Terra, con gli esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), che nello spazio profondo, con l’esperimento PAMELA, per risolvere questo importante enigma.

Alcuni esperimenti hanno evidenziato un eccesso di positroni ad alta energia che si ritiene possa essere associato, in qualche modo, alla presenza di materia scura. Manoj Kaplinghat dell’Università della California a Irvine ha affermato che, secondo i modelli teorici, quando le particelle che costituiscono la materia scura collidono vengono trasformate in elettroni e positroni. Gli scienziati che lavorano su un esperimento satellitare, chiamato PAMELA, hanno identificato recentemente un grande eccesso di positroni, suscitando un grande entusiasmo perché essi ritengono che possa esistere una connessione con la materia scura. Ma Kaplinghat e i suoi collaboratori, Jonathan Feng e Hai Bo-Yu, ritengono che l’eccesso di positroni osservato non è del tutto associato associato con la presenza di materia scura. Anche se al momento i fisici non possono spiegare l’eccesso di positroni registrato, esistono comunque degli elementi che lasciano aperta la possibilità che nel corso degli esperimenti, attuali o futuri, si possa arrivare a risolvere il mistero della materia scura. Oggi, esistono vari esperimenti in cui i ricercatori sono impegnati in una sorta di caccia mondiale alla materia scura: basti pensare all’LHC dove gli scienziati fanno collidere le particelle subatomiche ad una velocità prossima a quella della luce per comprendere la natura dell’Universo; in altri esperimenti sottoterra i ricercatori registrano deboli segnali di particelle che essi ipotizzano possano essere associati alla materia scura; infine, gli esperimenti nello spazio hanno lo scopo di rivelare raggi gamma di alta energia, neutrini e antimateria che potrebbe, quest’ultima, essere un segnale significativo della presenza di particelle candidate come materia scura. “Per ora, non abbiamo una spiegazione convincente sull’eccesso di positroni osservato“, ha detto Yu. “I dati provenienti dagli esperimenti dell’LHC, dagli esperimenti nei ghiacci antartici e nello spazio, getteranno luce su questo mistero entro i prossimi due anni e, forse, saremo in grado di individuare la famigerata particella che costituisce la materia scura“.

ArXiv: Halo Shape and Relic Density Exclusions of Sommerfeld-Enhanced Dark Matter Explanations of Cosmic Ray Excesses