“AMS days at CERN” e ultimi risultati

April 16th, 2015

La tre giorni “AMS Days at CERN” avrà come cardine gli ultimi risultati dell’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Per questa occasione si incontreranno i migliori fisici teorici al mondo e i principal investigator di alcuni dei più importanti esperimenti nel campo della fisica dei raggi cosmici (IceCube, Pierre Auger Observatory, Fermi-LAT, H.E.S.S. e CTA, il Telescope Array, JEM-EUSO, e ISS-CREAM).

L’obbiettivo primario di questo scambio scientifico è quello di capire la correlazione fra i risultati di AMS, quelli degli altri esperimenti di raggi cosmici e le attuali teorie. Durante la tre giorni i membri della collaborazione internazionale presenteranno i nuovi risultati (pubblicati e non) di AMS.

 

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AMS è l’unico esperimento di fisica delle particelle sulla ISS. Nei suoi primi quattro anni in orbita, AMS ha raccolto più di 60 miliardi di raggi cosmici (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni e nuclei di elio, litio, boro, carbonio, ossigeno, …) fino ad energie di qualche TeV. AMS continuerà a raccogliere ed analizzare dati come payload esterno della ISS, almeno fino al 2024. Il crescente campione statistico alle più alte energie, combinato con la profonda conoscenza e comprensione del rivelatore e quindi delle incertezze sistematiche, consentirà una migliore comprensione dei fenomeni studiati.

I risultati di AMS sulla frazione di positroni, il flusso di elettroni, il flusso di positroni e il flusso combinato di elettroni e positroni sono consistenti con l’ipotesi di materia oscura e difficilmente sono spiegati dai modelli esistenti di collisione dei raggi cosmici ordinari. Tuttavia iniziano ad esserci molti nuovi modelli che mostrano come i risultati potrebbero però essere spiegati introducendo nuove sorgenti astrofisiche (come le pulsar) o con nuovi meccanismi di accelerazione e propagazione (come i resti di supernova).

Per distinguere se i nuovi fenomeni osservati sono causati dalla materia oscura, AMS sta facendo nuove misure per determinare il tasso con il quale la frazione di positroni decresce dopo il massimo, o come vada il rapporto di antiprotoni e protoni. Come si può vedere in Figura 1, il rapporto antiprotoni su protoni rimane pressochè costante da 20 GeV a 450 GeV di energia cinetica. Questo comportamento non può essere spiegato come la produzione secondaria di antiprotoni dalle collisioni dei raggi cosmici ordinari. Nemmeno il ricorso alle pulsar può spiegare l’eccesso di antiprotoni. Gli ultimi risultati in tal senso saranno mostrati dalla Collaborazione AMS durante gli “AMS Days at CERN” e saranno oggetto di prossime pubblicazioni.

Figura 1. Rapporto fra antiprotoni e protoni, misurato da AMS. Si può vedere come il rapporto misurato non possa essere spiegato con i modelli attuali di produzione secondaria.

Figura 1. Rapporto fra antiprotoni e protoni, misurato da AMS. Si può vedere come il rapporto misurato non possa essere spiegato con i modelli attuali di produzione secondaria.

In aggiunta una profonda comprensione dei processi coinvolti nella collisione dei raggi cosmici ordinari è un requisito fondamentale per capire i risultati di AMS discussi sopra. La collaborazione AMS riporterà quindi anche i risultati recenti sugli studi di altissima precisione per la misura di tutte le componenti nucleari nei raggi cosmici (come protoni, elio, litio, …) fino a diversi TeV di energia.

La misura del flusso di protoni nei raggi cosmici, fra 1 GV a 1.8 TV di rigidità (momento/carica) comparirà a breve su Physical Review Letters. Questo risultato è basato su 300 milioni di eventi di protone. AMS ha trovato che il flusso di protoni è significativamente differente da quello dei precedenti esperimenti. Come si vede in Figura 2, il risultato di AMS mostra come il flusso di protoni cambi il suo comportamento a ~300 GV di rigidità. La linea piena è un fit ai dati. La linea tratteggiata, invece, sempre in Figura 2 è il flusso aspettato di protoni se non ci fosse il suddetto cambio di comportamento; come si vede, questo non è consistente con i dati sperimentali.

Figura 2. Flusso misurato di protoni in funzione della rigidità.

Figura 2. Flusso misurato di protoni in funzione della rigidità.

Ancora più sorprendente, AMS ha anche trovato, basandosi su 50 milioni di eventi, che il flusso di elio mostra pressochè lo stesso e ugualmente inaspettato comportamento del flusso di protoni (cfr Figura 3). AMS sta attualmente studiando il comportamento anche degli altri nuclei in modo da capire l’origine di questo cambio inaspettato.

Figura 3. Flusso misurato di elio in funzione della rigidità.

Figura 3. Flusso misurato di elio in funzione della rigidità.

Le nuove inaspettate osservazioni forniscono delle informazioni importanti nella comprensione della produzione e propagazione dei raggi cosmici.

Le recenti misure di AMS sulla frazione di positroni, sul rapporto antiprotoni/protoni, il comportamento dei flussi di elettroni, positroni, protoni, elio ed altri nuclei forniscono accurate ed inaspettate informazioni. L’accuratezza e le caratteristiche dei dati, contemporaneamente per diverse specie dei raggi cosmici, richiedono un modello consistente e coerente per capire se la loro origine è da materia oscura, sorgenti astrofisiche, meccanismi di accelerazione o una combinazione delle precedenti.