Antimateria: la frontiera spaziale


    Riflettendo su quanto detto l'ultima volta riguardo agli eventi che, all'inizio dell'universo, portarono alla preponderanza della materia sull'antimateria, probabilmente inizia a formularsi in noi la stessa domanda che sta alla base di gran parte degli esperimenti attualmente in corso nel settore.

    Questo quesito, tanto semplice da porsi quanto incredibilmente complicato nelle sue implicazioni pratiche, è:

    "Che fine ha fatto l'antimateria?"

    Naturalmente non stiamo parlando delle antiparticelle ricreabili in laboratorio secondo meccanismi ormai noti, ma di quelle primordiali, riconducibili al momento del Big Bang e di cui non sembra esservi traccia nell'universo conosciuto.

    [inline: 1=Immagine - 1 - Il prototipo AMS-01 al Kennedy Space Center] Immagine - 1 - Il prototipo AMS-01 al Kennedy Space Center, posizionato all'interno della navetta discovery in occasione del lancio preliminare del 1998 - ©KSC

    Dove cercare oggi questa antimateria nativa?

    E' possibile individuarne regioni estese nell'universo?

    Di sicuro è necessario iniziare le ricerche oltre la nostra atmosfera; sappiamo, infatti, che i raggi cosmici, a contatto con essa, danno luogo a sciami di particelle secondarie, fra cui antiprotoni e positroni1, la cui rilevazione non rappresenterebbe quindi un risultato significativo per il nostro particolare obiettivo.

    L’urto ad alte energie fra protoni, con una conseguente produzione di antiprotoni, potrebbe però avvenire anche oltre l’atmosfera terrestre, nello spazio interstellare; questo ci suggerisce che la nostra ricerca deve mirare ad osservare antinuclei più pesanti per affermare senza equivoco di avere a che fare con antimateria primordiale.

    Ipotizzando un comportamento simmetrico alla nostra realtà anche per le abbondanze degli elementi chimici in ipotetiche antistelle o antigalassie, gli antinuclei più probabili in cui potremmo imbatterci sarebbero di sicuro quelli di anti-Elio.

    Eventuali tracce di antinuclei ulteriormente pesanti, come anti-Carbonio o anti-Ferro potrebbero poi fornire un’evidenza ancora più chiara dell’esistenza di antistelle nello spazio, per analogia con l’origine delle corrispondenti controparti di materia (per approfondimenti sulla nucleo-sintesi stellare citiamo un famoso articolo: vedi Bibliografia [b]).

    [inline: 2=Immagine - 2 - Schema dell'apparato definitivo AMS-02] Immagine - 2 - Schema dell'apparato definitivo AMS-02 con evidenza dei vari componenti di rivelazione che lo costituiscono. - Fonte: documentazione ufficiale esperimento AMS.

    E’ proprio lo spazio la nuova frontiera della ricerca, dove la fisica delle particelle elementari si fonde con l’astronomia aprendo nuove interessanti prospettive in più campi disciplinari, sfruttando per l’occasione i mezzi offerti dall’ingegneria aerospaziale.

    Segnaliamo a questo proposito due importanti esperimenti in fase di realizzazione a cui l’Italia collabora attivamente con ruoli di rilievo:

    AMS (Alpha Magnetic Spectrometer).

    L’esperimento è basato su un sofisticato apparato di rivelazione che verrà condotto sulla Stazione Spaziale Internazionale ISS per una missione di tre anni, durante la quale sarà esposto alla radiazione cosmica con l’obiettivo principale di rilevare nuclei di antimateria pesante di media e alta energia con particolare attenzione all’anti-Elio (vedi bibliografia [a]).

    [inline: 3=Immagine - 3 - Sulla sinistra uno schema dell'apparato e sulla destra lo strumento in fase di assemblaggio] Immagine 3 - PAMELA: sulla sinistra uno schema dell'apparato e sulla destra lo strumento in fase di assemblaggio presso i laboratori di Roma.

    Un prototipo dello strumento è stato già testato in una missione preliminare di 10 giorni nel 1998, in occasione dell’ultimo volo dello Space Shuttle verso la stazione orbitante MIR; la spedizione definitiva lo vedrà in orbita nella sua configurazione finale (AMS-02), ottimizzata e migliorata sia in risoluzione sia in capacità di identificazione delle particelle.

    Oltre alla ricerca diretta di antimateria, l’esperimento si propone altri importanti obiettivi in campo fisico e astronomico, in particolare la rivelazione indiretta di materia oscura tramite la ricerca di tracce di annichilazione di neutralini: le particelle previste dalle teorie supersimmetriche che potrebbero rappresentare i costituenti della materia mancante nell’Universo.

    Lo spettrometro PaMeLa (Payload for Antimatter & Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) orbiterà invece a bordo di un satellite russo ad un’altezza variabile fra 350 and 600 km allo scopo di identificare antiparticelle nel range di energia 100 MeV-200GeV.

    Anche questo esperimento prevede una raccolta di dati di circa tre anni. (vedi bibliografia [c]).

    L’attesa dell’esito di queste ricerche è comprensibilmente ricca di aspettative in quanto riguarda due enigmi emblematici nell’attuale panorama scientifico; ricomporre per piccoli tasselli la storia e la fisionomia dell’Universo in cui viviamo racchiude molte componenti del "mestiere" di scienziato, fra le quali l’indubbio fascino che esercita la proporzione dell’oggetto studiato, che per sua natura spinge sempre "un passo oltre".

    Note

    1 mentre gli antiprotoni vengono prodotti già nelle collisioni dirette dei raggi cosmici primari con i nuclei atmosferici (Ossigeno, Azoto), per trovare i positroni dobbiamo "scendere" lungo lo sciame e seguire le reazioni secondarie dei pioni neutri; questi infatti decadono facilmente in raggi gamma, i quali possono, a loro volta,dar luogo alla produzione di coppie e- e+.

    Bibliografia

    [a] D. Alvisi & al. Search for Antihelium in Cosmic Rays Phys. Lett. B 461 (1999) 387-396

    [b] R.A. Alpher, H. Bethe, G. Gamow The origin of chemical elements - Physical Review, volume 73, number 7 1/4/1948

    [c] M.Bongi & al. PAMELA: A Satellite Experiment for Antiparticles Measurement in Cosmic Rays - IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 51, NO. 3, JUNE 2004

    Sitografia:

    The PAMELA Experiment http://hep.fi.infn.it/PAMELA

    The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment http://ams.cern.ch/AMS/ams_homepage.html



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