Uno spettrometro in orbita a caccia di antimateria
L'antimateria e la materia nera si aggirano dalle parti della Terra? Per saperlo, un grande spettrometro sarà installato sulla Stazione spaziale internazionale (ISS) per fare uno scanner sistematico dei raggi cosmici. Il lancio è previsto il 29 aprile.
Nome: AMS-02 (per Alpha Magnetic Spectrometer). Nazionalità: almeno 16, ma con una forte connotazione svizzera. Segno particolare: lo «02», che sta ad indicare che l’apparecchio è il secondo del suo genere.
Nel 1998, AMS-01, imbarcato sulla navetta americana che approvvigionò per l’ultima volta la stazione russa Mir, aveva già raccolto in soli nove giorni una collezione di queste particelle che compongono i raggi cosmici e che bombardano in permanenza lo spazio interstellare. All’epoca l’obiettivo era soprattutto di mostrare che un simile apparecchio poteva sopravvivere alle condizioni piuttosto rudi di un lancio e di un soggiorno nello spazio.
AMS-02 deve dal canto suo funzionare per almeno dieci anni. Gli americani l’hanno battezzato «il telescopio Hubble dei raggi cosmici». Per riuscire ad individuare questi raggi, che provengono dal nostro sole ma anche dalle stelle vicine, è necessario allontanarsi dal filtro costituito dalla nostra atmosfera. L’ISS, che si trova a 300 chilometri dalla superficie terrestre e che effettua 15 orbite ogni 24 ore attorno al nostro pianeta, costituisce il punto d’attracco ideale.
Il cuore dell’AMS è una grande calamita di forma cilindrica con un buco nel mezzo. Una specie di ciambella gigante che serve a separare le particelle dei raggi cosmici a seconda della loro carica elettrica, in modo tale da poterli poi analizzare grazie a una serie di strumenti, collegati a oltre 600 computer.
Antiparticelle o antistelle?
«Potremo fare una cartografia completa dell’ambiente radiativo della Terra: composizione chimica, variazioni temporali, variazioni spaziali… è da 100 anni che si conoscono i raggi cosmici, ma è la prima volta che potremo avere così tanti dati su questo fenomeno», afferma con entusiasmo Martin Pohl, membro della direzione del progetto AMS-02 e presidente della sezione di fisica dell’Università di Ginevra, che ha svolto un ruolo centrale nella progettazione e nella costruzione del rilevatore di traiettorie delle particelle.
Oltre alle particelle standard, lo spettrometro dovrebbe anche riuscire a «catturare» degli antiprotoni e dei positroni, componenti di base dell’antimateria (vedi di fianco). AMS-01 ne aveva già trovati, ma in proporzioni talmente minime da poter essere stati generati da collisioni tra particelle nel corso dei 13 miliardi di anni di storia dell’universo. In questo caso non hanno praticamente nessuna probabilità di assemblarsi per formare degli atomi.
Ciò che interessa i fisici è l’antimateria originale, quella dell’inizio dei tempi. Normalmente dovrebbe trovarsi sotto forma di atomi, almeno dei due elementi chimici più semplici: l’idrogeno e l’elio.
«AMS-01 non ha trovato anti-elio in un milione di atomi. Se AMS-02 non dovesse trovarne in un miliardo, non cercheremo oltre, spiega Martin Pohl. Ma se ne trovassimo, ciò significherebbe che vi sono piccole sacche di antimateria sopravvissute al Big Bang».
E se inoltre gli strumenti di rivelamento dovessero rintracciare degli atomi più pesanti, come dell’anti-carbone, ciò vorrebbe dire che da qualche parte esistono delle anti-stelle, poiché questi elementi possono formarsi solo nel cuore delle stelle. Un’ipotesi che il fisico ritiene «ancora più affascinante e… improbabile».
Più forte dell’acceleratore del CERN
Per quanto concerne la materia oscura, se la sua componente di base è effettivamente una particella, AMS-02 dovrebbe riuscire a scovarla… assieme forse ad altre cose bizzarre, come degli stati ancora sconosciuti della materia.
Questo spettrometro spaziale è totalmente complementare all’LHC, il grande acceleratore di particelle del CERN. A Ginevra si ricreano delle particelle, mentre nello spazio le si osservano nel loro ambiente naturale. Con il vantaggio apprezzabile che nello spazio le particelle raggiungono energie ancora fuori portata del più grande acceleratore costruito sulla Terra.
Il CERN è quindi strettamente associato al progetto. Il centro di ricerca ha effettuato dei test degli strumenti di rilevamento di AMS-02 e si occuperà di analizzare i dati trasmessi dallo spazio.
A patto naturalmente che la messa in orbita e l’ancoraggio all’ISS funzionino secondo le previsioni. AMS-02 sarà imbarcato a bordo della navetta Endeavour, che effettuerà il suo ultimo volo. Per queste navicelle concepite negli anni ’70 e con al loro attivo 133 missioni (di cui due costate la vita a 14 astronauti) è ormai giunta l’ora del pensionamento.
La Discovery è già pronta per il museo, mentre l’Atlantis svolgerà la sua ultima missione quest’estate. Dopodiché – in attesa delle future navicelle americane – solo i Soyuz russi continueranno a fare da taxi per i passeggeri dell’ISS. Il materiale, invece, potrà essere trasportato dal veicolo di trasferimento automatico europeo ATV, il cui secondo esemplare è riuscito lo scorso febbraio ad agganciarsi alla stazione spaziale senza problemi.
L’antimateria è della materia con carica elettrica opposta. Gli atomi sono composti da protoni (+) e da elettroni (-), mentre gli antiatomi di antiprotoni (-) e di elettroni positivi o positroni (+). Quando materia e antimateria si incontrano si annichiliscono, producendo energia.
Il Big Bang – una gigantesca creazione di materia a partire dall’energia – ha prodotto sia materia che antimateria. Queste particelle non solo non si sono annichilite reciprocamente (in questo caso non esisterebbe nulla), ma l’antimateria sembra essere completamente scomparsa ancor prima di riuscire ad organizzarsi in atomi. Il meccanismo tramite il quale la natura ha espresso questa «preferenza per la materia» è ancora sconosciuto.
Osservando le galassie, si può notare che la rotazione è più veloce di quanto dovrebbe essere rispetto alla massa visibile e alle leggi gravitazionali. Una parte della loro massa è quindi formata da qualche cosa che non riflette la luce. Si tratta molto probabilmente di particelle ancora sconosciute. Oggi si ritiene che la materia visibile formi solo il 4% circa della massa dell’universo. Il resto è della materia e dell’energia oscura.
L’energia oscura è la forza che fa sì che piuttosto di rallentare, il movimento di espansione dell’universo si accelera. È una sorta di antigravitazione, sulla quale la scienza non ha ancora una teoria convincente. Questo campo di ricerche non riguarda però AMS-02.
L’apparecchio che sarà ancorato sulla stazione spaziale ISS ha un diametro di tre metri ed è alto 4 metri. Il suo volume è di 64 metri cubi e pesa 7 tonnellate.
Allo sviluppo dello spettrometro hanno partecipato più di 400 fisici di 56 istituti di ricerca di 16 paesi, in tre diversi continenti. Il progetto è iniziato 15 anni fa, su iniziativa del Premio Nobel di fisica Samuel Tin. AMS-02 è costata circa un miliardo e mezzo di dollari.
Traduzione di Daniele Mariani
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