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AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)

La fisica delle particelle va nello Spazio

Linea Tematica ALTE ENERGIE
Responsabilità Missione NASA
Data Lancio 16 Maggio 2011
Fine Missione da definire
Fase in corso C/D
Sito Web htpp://www.ams02.org/

 

 

 

Descrizione

L'Asi e l'Italia sono in prima fila nel progetto dell'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS). Si tratta di un ambizioso laboratorio orbitante per la fisica delle particelle, il cui scopo è studiare i raggi cosmici in cerca di tracce di antimateria e materia oscura. L'Italia è primo contributore, con circa il 25% del totale. Inoltre, con Agenzia Spaziale Italiana e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il nostro paese è responsabile della realizzazione dei principali strumenti di bordo. L'industria spaziale nazionale, sotto la gestione dell'ASI,  ha contribuito in particolare alla realizzazione del sistema termico  e dei rivelatori a silicio. Nel 1998 un prototipo dell'esperimento ha realizzato un primo volo con successo sullo Shuttle. L'AMS è stato portato in orbita il 16 maggio 2011 con la penultima missione dello Shuttle, l'STS-134, per essere successivamente agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale.

 


Capace di identificare antiparticelle e antinuclei con una precisione di una parte per miliardo, AMS si propone di diventare lo Hubble Space Telescope dei raggi cosmici. Misurerà la composizione della radiazione cosmica con un energia compresa tra i 100 MeV e i 5 TeV. Progettato sul modello degli acceleratori del CERN e dei laboratori dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Frascati, consiste in un magnete permanente, i cui rivelatori sono in grado di identificare la tipologia di particelle tramite misure ridondanti di carica, velocità, energia e direzione di moto.

Agenzia Spaziale Italiana e INFN collaborano e sostengono questo esperimento dal 1995, nell'ambito di una collaborazione internazionale che comprende 16 paesi e 64 istituti, secondo il modello organizzativo tipico degli esperimenti del CERN.

I rivelatori di particelle sono stati progettati e costruiti con l'apporto dei ricercatori dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Bologna, Milano, Perugia, Pisa e Roma La Sapienza. 
 

Risultati

Due articoli pubblicati il 18 settembre 2014 su Physical Review Letters descrivono alla comunità internazionale i risultati nella misura di positroni fino a energie di 500 GeV ed elettroni a energie fino a 700 GeV, basati su 10 milioni di elettroni e positroni identificati tra i 41 miliardi di raggi cosmici raccolti nei primi 30 mesi della missione. Questi risultati estendono e migliorano le prime osservazioni pubblicate nella primavera del 2013. Le nuove misure raggiungono un limite di energia finora inesplorato per queste componenti della radiazione cosmica e, grazie anche alla loro precisione, aprono nuovi orizzonti nella ricerca di fenomeni ancora sconosciuti in atto nel nostro universo.

 


Obiettivi scientifici
Da AMS si attendono risposte a problemi che stanno alla base della fisica delle particelle elementari. In particolare lo studio della natura della materia oscura tramite la ricerca di distorsioni negli spettri di particelle e antiparticelle rare (raggi gamma di alta energia, poitroni, antiprotoni, antideuterio) e la ricerca diretta di antinuclei con una sensibilità di una parte per miliardo dovrebbero essere risolutivi in questo senso.

Inoltre AMS effettuerà misure di precisione della composizione di tutte le componenti cariche dei raggi cosmici fino a una rigidità di circa 5 TeV.

Supporto tecnologico
Il più grande payload scientifico previsto per la ISS si avvale di un importante supporto tecnologico: più di 200.000 canali di lettura, 650 microprocessori, 30 crates per complessive 450 schede di elettronica per un consumo di 2,5 kW/p. Le sue dimensioni sono davvero notevoli, più di tre metri di lato per un peso complessivo di 7,5 tonnellate.

La realizzazione di AMS  ha richiesto lo sviluppo e la qualificazione spaziale di numerose tecnologie, molte delle quali sviluppate in Italia dalle industrie italiane e nei laboratori dell'INFN.

Il componente più sofisticato è certamente il magnete cilindrico superconduttore, operato a 1,4°K e raffreddato per contatto secco con un flusso di Elio superfluido. Si tratta del primo magnete superconduttore disegnato per operare nello spazio. E' realizzato con sottile cavo di niobio e rame coestruso con alluminio purissimo, per stabilizzare il comportamento termico ed evitare il fenomeno del "quench" - la rapida transizione da superconduttore a conduttore normale che avviene in presenza di fluttuazioni termiche.

Il peso del magnete è di 2,2 tonnellate, a cui devono essere aggiunti 2600 litri di elio, necessari per mantenere il criostato a bassa temperatura per un periodo di almeno tre anni. Il magnete comprende 14 bobine, disposte in modo da creare un intenso campo magnetico di 0,8 T all'interno del cilindro. In questo modo è possibile azzerare la componente di dipolo magnetico del magnete e i conseguenti momenti di forze indotte dall'interazione con il campo magnetico terrestre.

La superconduttività è una tecnologia che può risultare molto utile nello spazio, garantendo campi magnetici intensi, strutture leggere e zero consumi. Per questo motivo la tecnologia del magnete di AMS risulta interessante per altre applicazioni: schermatura degli astronauti dalla radiazione cosmica durante lunghi periodi di permanenza nello spazio profondo, sulla superficie lunare o marziana, accumulo di energia e componenti dei sistemi propulsivi a plasma. In particolare la prima applicazione risulta di grande interesse nel contesto dei progetti di esplorazione umana planetaria. Non esistono infatti, al momento, soluzioni affidabili al problema delle radiazioni ionizzanti assorbite da un astronauta in missione verso Marte.

Attorno al magnete sono collocati i rivelatori di particelle. Essi permettono, in tempi di poche centinaia di microsecondi, l'identificazione di ogni singolo raggio cosmico che attraversa AMS. Il sistema di trigger è in grado di misurare il tempo di volo dei raggi cosmici con una precisione di circa 130 picosecondi. Il rivelatore tracciante è composto da 2300 placchette di silicio e misura la posizione delle particelle all'interno del campo magnetico con una precisione migliore di 10 micron. Con i suoi 7 m2 di superficie, si tratta del più grande tracciatore di precisione mai realizzato per un esperimento spaziale. Infine il rivelatore ad anelli di luce Cerenkov (RICH), caratterizzato da un piano focale composto da più di 11000 pixel, ciascuno in grado di misurare un singolo fotone, è un rivelatore a stato solido capace di misurare la velocità delle particelle con una precisione di una parte per mille.

Nella parte inferiore di AMS si trova un calorimetro elettromagnetico del peso di oltre 600 kg, formato da fibre scintillanti incollate con sottili strati di piombo. E' una tecnologia derivata dall'esperimento Kloe a Frascati e che permette la misura dell' energia della componente elettromagnetica di alta energia con circa il 3% di precisione.

Completano l'esperimento un rivelatore di radiazione di transizione, in grado di separare elettroni e positroni dalla componente adronica fino a parecchie centinaia di GeV e una coppia di star tracker per fornire un puntamento preciso, necessario per la misura di gamma di alta energia con AMS.