• Google+
  • Commenta
4 aprile 2013

Alpha Magnetic Spectrometer. Risultati Alpha Magnetic Spectrometer (AMS)

Università degli Studi di PERUGIA – Primi risultati dell’ Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 

La Collaborazione Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) annuncia la pubblicazione del primo risultato di fisica sulla rivista Physical Review Letters.

AMS è il più grande e sensibile spettrometro magnetico per lo studio della fisica delle particelle che sia stato mai dispiegato nello spazio. L’Italia ha collaborato alla sua realizzazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’Agenzia Spaziale Italiana. AMS si trova all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS): dalla sua installazione il 19 maggio 2011 fino ad oggi, ha registrato oltre 30 miliardi di raggi cosmici aventi energie fino a migliaia di miliardi di elettronvolt, grazie ad una strumentazione basata su un magnete permanente equipaggiato da una serie di rivelatori di particelle di precisione in grado di identificare ad uno ad uno i raggi cosmici che lo  attraversano provenendo dalle zone più remote dello spazio. Nel corso della sua missione di lunga durata sulla ISS, AMS registrerà 16 miliardi raggi cosmici ogni anno, trasmettendoli a terra per l’analisi dati a cura della Collaborazione AMS.

Quelli di oggi sono i primi risultati di fisica tra molti che seguiranno.

Nei primi 18 mesi di operazioni nello spazio, dal 19 maggio 2011 al 10 dicembre 2012, AMS ha raccolto e analizzato 25 miliardi raggi cosmici primari. Tra questi 6.8 milioni di eventi, il campione statistico più grande mai raccolto, sono stati identificati in modo inequivocabile come elettroni e la loro controparte di antimateria, i positroni. Questi 6,8 milioni di particelle, registrate nell’intervallo di energia compreso tra 0,5 e 350 GeV, sono alla base della misura di precisione riportata in questo articolo.

Elettroni e positroni sono identificati e selezionati rispetto al fondo rappresentato dai numerosissimi protoni grazie alle  misure accurate e ridondanti ottenute dai vari strumenti che compongono AMS. I positroni, la componente più rara, sono chiaramente identificati grazie alla capacità di AMS di ridurre di un milione di volte il fondo di protoni. Al momento attuale, il numero totale di positroni identificati da AMS, oltre 400.000, è il più grande campione di particelle di antimateria di alta energia misurate direttamente nello spazio.

I risultati dell’articolo possono essere riassunti come segue:

  • AMS ha misurato la frazione di positroni (rapporto tra il flusso di positroni al flusso combinato di positroni ed elettroni) nell’intervallo di energia 0,5-350 GeV;
  • la frazione di positroni  diminuisce al crescere dell’ energia  tra 0,5 e 10 GeV
  • la frazione  di positroni aumenta invece costantemente tra il 10 GeV e ~ 250 GeV;
  • la pendenza (tasso di crescita)  della frazione di positroni cala però di dieci volte  tra 20 e 250 GeV;
  • ad energie superiori a 250 GeV
  • lo spettro sembra appiattirsi: per studiarne il comportamento al di sopra di 250 GeV è però necessario aumentare ulteriormente la statistica. I dati riportati rappresentano circa l’ 8% del totale di eventi che AMS prevede di raccogliere nel corso della sua missione;
  • lo spettro della  frazione di positroni non presenta nessuna struttura né in funzione dell’ energia, né del tempo.
  • la frazione di positroni non mostra anisotropia angolare, indicazione del fatto che i positroni di alta energia non provengono da una direzione preferenziale dello spazio.

Nel loro complesso queste osservazioni indicano la presenza di un fenomeno dovuto a nuova fisica.

La Figura 1 illustra i dati AMS presentati nell’articolo.

Figura 1: La frazione di  positroni misurata da AMS dimostra un eccellente accordo con il semplice modello discusso nell’articolo. Grazie alla elevatissima statistica raccolta da AMS, 6,8 milioni di eventi, e la precisione della misura in energia, la frazione di positroni non mostra alcuna struttura fine nello spettro.

La forma esatta dello spettro mostrato in figura 2, una volta che sarà esteso a energie più alte, potrà dire se questo andamento è dovuto alla collisione di particelle di materia oscura o alla presenza di pulsar nella galassia. La grande precisione dei risultati ottenuti con i dati dei primi 18 mesi suggerisce che AMS potrà affrontare e risolvere questo problema con in dati che verranno raccolti in futuro.

Negli ultimi due decenni c’è stato molto interesse relativamente alla frazione di positroni nei raggi cosmici primari, sia da parte dei fisici delle particelle che degli astrofisici. Il motivo alla base di questo interesse è il fatto che misurando il rapporto tra positroni ed elettroni e identificando  un eventuale comportamento anomalo dello spettro di energia di questa quantità, si può giungere ad una migliore comprensione dell’origine della materia oscura o della presenza di altri nuovi fenomeni fisici.

Il primo risultato AMS è stato ottenuto confrontando diversi modelli fenomenologici, uno dei quali è descritto nell’articolo  e mostrato in Figura 1. Questo modello comprende una componente diffusa di elettroni e positroni, prevista da meccanismi tradizionali, oltre ad una componente dovuta ad una nuova sorgente di elettroni e positroni. Esso si adatta sorprendentemente bene ai dati AMS. Questo accordo tra i dati ed il modello indica che lo spettro della frazione di positroni è compatibile con un flusso di elettroni e un flusso di positroni ciascuno dei quali è la somma del relativo  spettro diffuso e di  una singola fonte comune, di alta energia. In altre parole, una parte significativa degli elettroni  e dei positroni di alta energia provengono da una fonte comune la cui origine è sconosciuta.

AMS è un sofisticato spettrometro magnetico in grado di esplorare nuova fisica grazie alla sua precisione di misura, alla quantità di dati che è in grado di raccogliere, all’ intervallo di energie che può esplorare, alla capacità di identificare con precisione le particelle elementari ei diversi tipi di nuclei e alla lunga durata della sua missione nello spazio. Come mostrato in figura 2, la precisione di AMS e l’alta statistica raccolta in questi 18 mesi, permette di  distinguere nettamente l’ andamento in funzione dell’ energia  della frazione di positroni da quella riportata dagli  esperimenti precedenti.

Nel corso del periodo operativo della Stazione Spaziale Internazionale si prevede di raccogliere con AMS centinaia di miliardi di raggi cosmici. Il corrispondente volume dei dati raccolti richiederà un grandissimo  sforzo di analisi. I dati relativi ad ogni particella raccolta sono ricostruiti meticolosamente, calibrati e archiviati prima di essere sottoposti ad analisi da parte di gruppi indipendenti di fisici  di AMS, in modo da garantire la massima affidabilità e precisione dei risultati di fisica.

Figura 2: Un confronto dei risultati AMS con le misure pubblicate recentemente da altri esperimenti. Con il suo magnete, gli accurati rivelatori di particelle e l’alta precisione statistica, il primo risultato di AMS, basato  solo  su circa l’ 8% dei dati previsti, si distingue nettamente dai precedenti esperimenti

Informazioni su AMS

La prima pubblicazione dell’esperimento AMS è una pietra miliare per la Collaborazione internazionale AMS. Centinaia di scienziati, ingegneri, tecnici e studenti provenienti da tutto il mondo hanno lavorato insieme per oltre 18 anni per fare di AMS una realtà. La Collaborazione comprende 16 paesi in Europa, Asia e Nord America (Finlandia, Francia, Germania, Italia, Paesi Bassi, Portogallo, Spagna, Svizzera, Romania, Russia, Turchia, Cina, Corea, Taiwan, Messico e Stati Uniti) sotto guida del premio Nobel Samuel Ting, del MIT. La Collaborazione AMS opera in stretto contatto con l’eccellente team della NASA dedicato al progetto AMS presso il Johnson Space Center, collaborazione che si è estesa per tutta la durata del progetto.

L’Italia dato un importante contributo alla costruzione e operazione del rivelatore nonché all’ analisi dei dati, sotto la guida del Professor Roberto Battiston, deputy spokesperson di AMS, dell’Università e INFN-TIFPA, Trento. La partecipazione dell’Italia è stata sostenuta dall’INFN e dall’ASI e ha visto il coinvolgimento delle Università e delle Sezioni INFN di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Pisa, Roma “Sapienza” in collaborazione con le industrie nazionali (CGS, CAEN, G&A Engineering, FBK). Il contributo alla realizzazione della strumentazione spaziale ha riguardato il sistema di Tempo di Volo e di Anelli Cerenkov (Bologna), il Tracciatore al Silicio (Perugia), il Calorimetro Elettromagnetico (Pisa), il rivelatore a Radiazione di Transizione (Roma), nonché il segmento a terra dei dati (Milano Bicocca).  La qualifica spaziale dell’elettronica e dei principali componenti dell’apparato è stata condotta presso i laboratori SERMS e CEM del Polo Scientifico Didattico di Terni.

AMS è un esperimento di fisica delle particelle sulla ISS, sponsorizzato dal Dipartimento dell’ Energia (DoE) nel quadro dell’ accordo di collaborazione tra DoE e NASA. AMS è stato costruito presso le università e gli istituti di ricerca di tutto il mondo e integrato presso l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, CERN, Ginevra, Svizzera. E’ stato trasportato al Kennedy Space Center nell’agosto 2010 a bordo di una speciale cargo C-5M dell’ Air Mobility Command dell’ Air Force. AMS è stato lanciato dalla NASA verso la ISS come payload principale a bordo della missione finale dello Space Shuttle Endeavour (STS-134), il 16 maggio 2011. L’equipaggio della missione STS-134, Greg Johnson, Mike Fincke, Greg Chamitoff, Drew Feustel, Roberto Vittori sotto il comando di Mark Kelly, ha installato con successo AMS come strumento esterno sulla ISS, come parte dell’ US National Laboratory, il 19 maggio 2011. Una volta installato, AMS è stato acceso e ha subito iniziato a misurare raggi cosmici primari nello spazio, trasmettendoli al Payload AMS Operations Control Center (POCC). Il POCC si trova al CERN, Ginevra, Svizzera.

Una volta acceso AMS, il primo compito della collaborazione AMS è stato quello di assicurare che tutti gli strumenti e sistemi di bordo funzionassero come previsto e verificato a terra. Il rivelatore AMS, con le sue ridondanze multiple, ha dimostrato di operare perfettamente nello spazio. Nel corso degli ultimi 22 mesi della missione, i collaboratori AMS hanno acquisito una preziosa esperienza operativa nella gestione di uno spettrometro di precisione nello spazio e nel controllare gli effetti delle condizioni estreme dell’ ambiente a cui è esposto AMS nella sua orbita di 90 minuti intorno alla Terra. Si tratta di condizioni molto diverse sia da quelle degli esperimenti di fisica delle particelle agli acceleratori a terra  sia di quelle dei satelliti che orbitano indipendentemente dalla ISS. Gli effetti includono le variazioni termiche causate dagli  effetti solari e dal continuo ri-posizionamento dei radiatori e dei pannelli solari della ISS. Gli operatori che controllano AMS trasmettono periodicamente gli aggiornamenti software dal POCC AMS al CERN ai computer di AMS sulla ISS, al fine di mantenere aggiornato regolarmente il software e lo stato dell’ hardware sulla ISS.

Grazie alla grande quantità di raggi cosmici primari che misurati da AMS, la Collaborazione potrà anche esplorare altri importanti temi  di fisica quali:

  • misure di precisione del rapporto boro/carbonio,
  • misura dell’abbondanza relativa dei vari nuclei,
  • misura dell’eventuale presenza di nuclei di antimateria,
  • misure di precisione del flusso delle varie particelle che compongono i raggi cosmici come elio, protoni, antiprotoni e fotoni
  • ricerca di nuova fisica e di nuovi fenomeni astrofisici come la presenza di  particelle di materia “strana”

La Collaborazione AMS eseguirà queste misure di precisione nel corso della vita della Stazione Spaziale continuando la missione di AMS dedicata alla ricerca di nuovi fenomeni fisici nel cosmo .

Il ruolo di Perugia e Terni

Il progetto AMS ha visto impegnati negli ultimi tredici anni, una trentina tra fisici ed ingegneri, coadiuvati dal personale tecnico ed amministrativo dell’INFN, del dipartimento di Fisica e del Polo Scientifico e Didattico di Terni. Nei primi anni di attività il gruppo di Perugia è stato coordinato dal Prof. Battiston, ora all’Università di Trento, dal Dr. B. Alpat e dal Dr. M. Menichelli dell’INFN. Dal 2008 il gruppo ha operato sotto la guida della Prof.ssa Bruna Bertucci, come responsabile dell’unità di ricerca perugina e delle attività presso il laboratorio SERMS del polo scientifico di Terni.

Il team di Perugia ha avuto importanti responsabilità nella progettazione, costruzione e integrazione di AMS-02:

  • Il cuore di AMS-02, il tracciatore a microstrip di silicio che permette di separare la materia dall’anti-materia, è stato progettato, costruito ed integrato nell’esperimento sotto la responsabilità del Dr. Giovanni Ambrosi dell’INFN Perugia, in stretta collaborazione con l’Università di Ginevra. Il sistema è perfettamente funzionante ed i ricercatori di Perugia sono attualmente responsabili per la calibrazione dei dati raccolti durante il volo e la loro analisi
  • gli occhi di AMS-02, due tracciatori di stelle che permettono di individuare con estrema precisione la direzione in cui punta l’apparato per identificare la direzione da cui arriva la luce di altissima energia rivelata, operano sotto il controllo del team di Perugia, coordinato dal Dr. E. Fiandrini.
  • nel laboratorio SERMS dell’Università di Perugia, operato congiuntamente con INFN  presso il Polo scientifico didattico di Terni, sono state eseguite le prove di qualifica spaziale per la resistenza a vibrazioni, operazione in vuoto ed in differenti condizioni termiche dell’elettronica di AMS, della struttura meccanica del magnete e di una larga frazione dei suoi rivelatori.
  • ricercatori, ingegneri e tecnici hanno partecipato alle fasi di integrazione dell’apparato al CERN di Ginevra e al Kennedy Space Center della NASA.

Con il lancio e la messa in orbita a maggio 2011, l’attività si è concentrata sull’analisi dei dati di volo per la messa a punto dello strumento e per la ricerca di segnali di nuova fisica. I ricercatori perugini hanno seguito con continuità  le operazioni dell’esperimento: nei primi mesi di messa a punto presso la sala di controllo a Houston, al Johnson Space Center della NASA, e quindi nel Payload Operation Control Center del CERN di Ginevra.

L’analisi scientifica dei dati vede l’unità di ricerca di Perugia in prima linea, grazie alla profonda conoscenza dello strumento ed all’esperienza maturata in più di venti anni di attività di ricerca nell’ambito delle particelle elementari.

All’interno della collaborazione AMS si è deciso di avere due gruppi di ricerca indipendenti, per poter fare verifiche incrociate dei risultati ottenuti: grazie al contributo di tutto il gruppo, Perugia è stata identificata come istituto leader di uno dei due team di analisi dati, che è coordinato a livello internazionale dalla Prof.ssa Bertucci. I risultati ottenuti sono alla base della prima pubblicazione, mentre i ricercatori sono di nuovo al lavoro per lo studio di altri aspetti della radiazione cosmica.

Studenti dei corsi di laurea in fisica e di ingegneria, dottorandi, assegnisti di ricerca e giovani ricercatori, si sono avvicinati con AMS al mondo della ricerca e dello spazio, trovando il loro futuro in prestigiosi istituti di ricerca ed università estere, quali il Massachussets Institute of Technology. L’unicità del progetto ed il suo ampio respire internazionale ha portato anche giovani ricercatori stranieri a scegliere Perugia come sede della loro attività.

Google+
© Riproduzione Riservata

Copyright © 2004-2015 - Reg.Trib. Salerno n°1115 dal 23/09/2004 | CF: 95084570654 - P.IVA 01271180778

Magazine di informazione su Scuola, Università, Ricerca, Formazione, Lavoro
Attualità, Tendenza, Arts and Entertainment, Appunti, Web TV e Web Radio con foto, immagini e video.
Tutto quello che cercavi e devi sapere sui giovani e sulla loro vita.

Redazioni | Scrivi al direttore | Contatti | Collabora | Vuoi fare pubblicità? | Normativa interna | Norme legali e privacy | Foto | Area riservata |

Per offrirti la migliore esperienza possible questo sito utilizza cookies.
Continuando la navigazione sul sito acconsenti al loro impiego in conformità della nostra Cookie Policy