L'articolo pubblicato su Physics Review Letters  studia l’evoluzione temporale del flusso di protoni nei raggi cosmici

21 Gennaio 2022

I raggi cosmici sono particelle cariche accelerate da potenti processi astrofisici, composti per la maggioranza da protoni (più del 90%) e nuclei degli atomi della tavola periodica, prodotto principale dei processi di fusione nucleare nelle stelle e dell’esplosione delle supernovae.

I raggi cosmici sono l’oggetto di studio dell’esperimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), un ambizioso laboratorio per la fisica delle particelle sulla Stazione Spaziale Internazionale, il cui scopo è studiare con precisione la loro composizione e abbondanza nello spazio in cerca di tracce di antimateria primordiale e materia oscura ad energie estreme fino a qualche TeV (“tera-elettronvolt”). Queste ricerche forniscono informazioni uniche per la comprensione di importanti quesiti ancora aperti della fisica moderna, come l’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo o l’origine della materia oscura.

AMS-02 ha già misurato, con una precisione mai raggiunta prima, raggi cosmici nucleari (come protoni, nuclei di elio, nuclei di ferro e altri) e raggi cosmici di antimateria (positroni e antiprotoni). Tali misure di precisione sono accessibili solamente da rivelatori di particelle operanti nello spazio, dove i raggi cosmici possono essere misurati prima della loro interazione con l’atmosfera terrestre. I dati prodotti da AMS-02 stanno fornendo informazioni uniche e non previste dalle teorie, e sulla base delle quali la comunità scientifica sta raffinando i modelli di origine, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici per poter riuscire a descrivere i dettagli svelati dalle misure di AMS-02.

L’esperimento AMS-02 misura le proprietà dei raggi cosmici dalla sua posizione privilegiata sulla Stazione Spaziale Internazionale. In più di dieci anni di operazioni AMS-02 ha raccolto un enorme numero di raggi cosmici, ad oggi quasi 200 miliardi. I ricercatori della collaborazione AMS analizzano continuamente il flusso di dati per studiare e investigare le loro proprietà, e hanno recentemente pubblicato su Physics Review Letters un articolo in cui si studia l’evoluzione temporale del flusso di protoni nei raggi cosmici. Un argomento di interesse non solo per la comprensione dei meccanismi con cui i raggi cosmici propagano nell’ambiente del Sistema Solare, ma anche per migliorare la accuratezza nella ricerca e misura di antimateria nei raggi cosmici a basse energie.

Nel loro viaggio verso la Terra, accelerati fino ad altissime energie i raggi cosmici viaggiano attraverso il mezzo interstellare e raggiungono l’Eliosfera, la regione che include il nostro Sistema Solare. In questo percorso verso il nostro pianeta i raggi cosmici incontrano il vento solare, un plasma di particelle cariche di bassa energia originate dal Sole stesso, e interagendo con loro modificano la propria energia e traiettoria.

L’Eliosfera è un ambiente estremamente complesso; le sue proprietà, determinate dai processi elettromagnetici di origine solare, sono continuamente in evoluzione e difficilmente prevedibili. Ad ogni istante il Sole modifica la sua configurazione, e non è mai uguale a sé stesso. Come il Sole e l’Eliosfera è, quindi, in continua evoluzione anche il flusso di raggi cosmici di energie più basse che arriva fino al nostro pianeta. Questa continua “modulazione” dell’intensità dei raggi cosmici di bassa energia potrebbe nascondere eventuali evidenze di nuovi fenomeni, come ad esempio tracce dovute alla produzione di antimateria o conseguenza della presenza di materia oscura nella nostra Galassia. Comprendere le proprietà dell’Eliosfera è quindi fondamentale per diminuire le incertezze in tali misure e quindi facilitare le possibili osservazioni di dettagli inattesi nel flusso di raggi cosmici nucleari e di antimateria di bassa energia.

Studiare i meccanismi con cui i raggi cosmici interagiscono con il vento solare e si propagano all’interno della Eliosfera permette non solo di migliorare la comprensione delle proprietà dei raggi cosmici, ma anche della nostra stella, il Sole. Questa nuova conoscenza ha infine anche un impatto per l’esplorazione spaziale: i raggi cosmici di origine galattica rappresentano infatti una delle principali sorgenti di radiazione a cui sono soggetti gli astronauti fuori dalla protezione del campo magnetico terrestre. Comprendere le proprietà dei raggi cosmici e produrre modelli dettagliati della loro evoluzione spaziale e temporale è un passo fondamentale per definire modelli di rischio, sviluppare sistemi di allarme e protezione e abilitare l’esplorazione umana dello Spazio fuori dall’orbita bassa terrestre, come ad esempio verso Marte.

In una precedente pubblicazione, la collaborazione AMS aveva già riportato la misura della dipendenza temporale del flusso di protoni su scale temporali definite dalla rotazione apparente del Sole vista dalla Terra, pari a circa 27 giorni. Nella più recente pubblicazione, la collaborazione AMS ha esteso la misura analizzando 5,5 miliardi di protoni con energie comprese tra 1 GV e 100 GV raccolti in 8,5 anni, dal 2011 al 2019, aumentando notevolmente la risoluzione temporale fino a scale temporali di un giorno.

I dati forniti dalla collaborazione coprono 30 intervalli di energia separatamente per circa 2800 giorni. Grazie a tale precisione senza uguali la collaborazione AMS ha potuto rivelare proprietà inattese nascoste nella complessità dei dati raccolti. Come riportato nella pubblicazione, è infatti evidente dai dati di AMS-02 che il flusso di protoni segue alcuni pattern temporali, aumentando e diminuendo la intensità di flusso, non solo su scale di 27 giorni, ma anche su scale più brevi rispettivamente di circa 13,5 e 9 giorni. Nonostante la presenza di tali pattern sia già stata osservata da missioni precedenti ed associata alla presenza di strutture di plasma generate da buchi coronali del Sole, corotanti rispetto alla porzione visibile del Sole, i modelli che descrivono la intensità di queste modulazioni nel flusso dei raggi cosmici non sono in accordo con i dati di AMS-02.

In particolare, mentre i modelli basati su osservazioni precedenti a quelle di AMS-02 prevedono che le intensità di tali pattern descrescano all’aumentare dell’energia dei raggi cosmici, i dati di AMS-02 rivelano che questo effetto non solo dipende dall’attività solare stessa, ma si osservano anche intervalli temporali in cui la loro intensità, differentemente da quanto atteso, aumenta all’aumentare dell’energia dei raggi cosmici fino a circa 20 GV per poi riprendere a diminuire secondo i modelli. Questa osservazione, inattesa, rappresenta un input unico per migliorare la comprensione dei meccanismi di propagazione dei raggi cosmici nell’Eliosfera.

Questa conclusione prodotta dall’analisi dei dati di AMS-02 rappresenta probabilmente la punta di un iceberg. I dati di AMS-02 sono infatti gli unici che coprono con tale precisione e con un unico strumento gran parte del ciclo solare n. 24 (12/2008 – 12/2019) dalla sua fase di attività solare crescente, raggiungendo il massimo per poi arrivare fino al minimo di attività solare attraverso la fase discendente. Questo rende i dati prodotti dalla collaborazione uno strumento unico a disposizione della comunità scientifica per poter essere analizzato e utilizzato per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi di origine, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici e della fisica dell’Eliosfera.

La partecipazione di ASI e dei ricercatori italiani dell’INFN della collaborazione AMS è stata fondamentale per finalizzare questa misura, e conferma il ruolo centrale che la comunità scientifica italiana ha nel panorama internazionale. La missione di AMS-02 continua ad oggi ininterrottamente a raccogliere dati sulla Stazione Spaziale Internazionale, ed è prevedibile non solo che la misura del flusso giornaliero di protoni sarà estesa nel tempo, coprendo anche il ciclo solare n.25 in corso, ma che possa comprendere anche le altre componenti nucleari abbondanti dei raggi cosmici, come i nuclei di Elio, fornendo nuove scoperte inattese sull’imprevedibile comportamento dei raggi cosmici nel complicato ambiente del Sistema Solare.

AMS è una missione sponsorizzata da NASA e DOE (US), e a cui l’Italia partecipa con il supporto di ASI e ricercatori delle Università e delle Sezioni INFN di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Pisa, Trento e di ASI.

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