AMS: segnali chiari di materia oscura?

C’è materia oscura nell’Universo? Di certo c’è una quantità “anomala” di positroni, segnale e indizio di una possibie presenza di materia oscura. Come testimonia uno studio appena pubblicato sulla base dei primi dati raccolti dello Spettrometro Magnetico Alpha AMS-02.«È certamente un’indicazione, ma questo non significa che sia una prova». Con queste parole il premio Nobel per la Fisica, Samuel Ting, ha commentato il risultato della misura del rapporto tra positroni ed elettroni nei raggi cosmici realizzata utilizzando i primi dati raccolti dallo Spettrometro Magnetico Alpha AMS-02, installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per dare la caccia all’antimateria disseminata nell’universo. Dati che sono stati appena pubblicati sulla rivista Physical Review Letters dalla Collaborazione AMS di cui lo scienziato statunitense è alla guida, e che mostrano in maniera inequivocabile una quantità anomala di positroni all’interno di un determinato intervallo di energie. Costituendo, se non una prova, un segnale della presenza di «materia oscura» nell’universo.

Lo Spettrometro Magnetico Alpha (AMS) sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) (Fonte: NASA)

 

Un flusso anomalo di positroni
Nel maggio del 2011, lo spettrometro magnetico AMS-02 ha avuto l’onore di essere il “passeggero” dell’ultimo volo dell’Endavour, lo space shuttle con cui la Nasa ha chiuso un programma trentennale di esplorazione spaziale. Dopo essere stato “scaricato” sulla ISS dall’astronauta italiano Roberto Vittori, le sofisticate strumentazioni di AMS-02 si sono messe subito a lavoro e nell’ultimo anno e mezzo hanno registrato circa 25 miliardi di eventi. Di questi, 400 mila hanno riguardato positroni, cioè le antiparticelle degli elettroni, con energia compresa tra 0,5 GeV e 350 GeV. Questa moltitudine di antielettroni rappresenta la più grande collezione di particelle di antimateria mai rilevata nello spazio.
Normalmente nei raggi cosmici i positroni sono presenti a livello di parti per mille, e la loro presenza è spiegata come conseguenza delle interazioni dei raggi cosmici primari con il materiale interstellare. In assenza di altri meccanismi di produzione, la frazione di positroni sugli elettroni, che ammonta per esempio a circa il 10% a 1 GeV, dovrebbe scendere al crescere dell’energia. Il grafico nel quale sono raccolti i dati pubblicati dalla collaborazione AMS ci racconta, però, qualcosa di diverso.

L’andamento del rapporto tra positroni ed elettroni al variare dell’energia (Fonte: AMS Collaboration)

 

La frazione di positroni dimininuisce al crescere dell’energia soltanto fino ai 7-8 GeV; poi accade qualcosa e la frazione di positroni cresce senza interruzione tra 10 e 250 GeV. Il ritmo di questa crescita anomala, tuttavia, si riduce di 10 volte nell’intervallo di energia che va da 20 a 250 GeV e sembrerebbe arrestarsi intorno ai 350 GeV. Il condizionale è d’obbligo perché per energie elevate la statistica è ancora povera e le incertezze sperimentali sono maggiori.
Pulsar o WIMPs?
Acquisire dati nella regione delle alte energie sarà fondamentale per spiegare il flusso anomalo dei positroni. Se per un ampio intervallo di energie superiori ai 350 GeV si scoprisse che il rapporto tra elettroni e positroni fosse costante, se cioè il profilo del grafico si appiattisse o scendesse molto gradualmente, con ogni probabilità la produzione anomala di positroni sarebbe dovuta all’attività di una o più pulsar che ancora non abbiamo individuato. Sebbene questa sia una delle possibilità presenti oggi sul tavolo, i dati di AMS mostrano che il flusso di positroni è costante nel tempo e non ha una direzione privilegiata di provenienza. Come invece ci si dovrebbe aspettare nel caso in cui ci abbia messo lo zampino una pulsar, cioè una sorgente di radiazione localizzata nello spazio e nel tempo.
Tutt’altra storia ci sarà da raccontare, invece, se i dati dei prossimi mesi (e anni) ci diranno che oltre i 350 GeV il rapporto tra elettroni e positroni diminuisce repentinamente, se cioè dovessimo scoprire che il profilo del grafico somiglia a una campana piuttosto stretta. In questo caso infatti tutto lascerebbe supporre che i positroni con un’energia prossima al picco della curva siano stati prodotti dall’annichilazione di due WIMPs (dall’inglese Weak Interaction Massive Particle), le particelle che dovrebbero rappresentare la «materia oscura». Di queste particelle ipotetiche gli scienziati sanno essenzialmente solo che rappresentano il 27% della massa dell’universo. Per il resto ritengono che abbiano una massa elevata, che interagiscano con la materia ordinaria solo per via gravitazionale e che non siano dotate di carica elettrica, altrimenti avrebbero a che fare con la radiazione elettromagnetica e non sarebbero più “oscure”.
Oscura, ma affascinante
Inutile dire che gli scienziati sperino di aver messo nel sacco una bella manciata di WIMPs. Non solo perché queste particelle rappresenterebbero la conferma sperimentale dell’esistenza della materia oscura, uno dei capisaldi della cosmologia contemporanea, ma anche perché si tratterebbe della prima evidenza diretta di particelle che non appartengono al Modello Standard. Questo inevitabilmente aprirebbe la strada a una nuova fisica, la stessa che stanno cercando di imboccare i fisici nei sotterranei del Cern utilizzando il Large Hadron Collider. In questi casi, tuttavia, la prudenza è d’obbligo. Così, al termine della conferenza tenutasi proprio al Cern nella quale ha presentato i risultati di AMS, Samuel Ting ha risposto con un semplice «Slowly» a quanti gli domandassero di fare ipotesi sui prossimi dati.
Per cominciare a saperne qualcosina in più, ci toccherà così aspettare ancora qualche mese, quando lo scienziato statunitense interverrà all’International Cosmic Ray Conference, che si terrà a Rio de Janeiro nel mese di luglio.

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