[...] Ma come è possibile aver visto la "materia oscura" se questa risulta invisibile? Gli astronomi hanno usato un trucco che offre la natura. Sfruttando la fotocamera digitale più grande del mondo di cui è dotato il telescopio Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht) posto sul monte Mauna Kea nelle Hawaii, i ricercatori hanno analizzato migliaia di immagini per individuare gli "effetti gravitazionali" della materia oscura sulla luce visibile, un fenomeno chiamato effetto della "lente (...)

L’esperimento Ams alla ricerca di antimateria, materia oscura e strana

C’è molta Italia nell’ultimo viaggio dello shuttle Endeavour che, salvo imprevisti, partirà venerdì 29 aprile dal Kennedy Space Center alla volta della Stazione Spaziale Internazionale, in orbita a 400 chilometri di altezza.

di Pietro Greco (l’Unità, 27.04.2011)

Italiano è Paolo Nespoli, uno degli astronauti che riceverà l’equipaggio dello shuttle. Italiano è Roberto Vittori, uno degli astronauti che viaggerà con Endeavour. Ma per la gran parte italiano è, soprattutto, il rivelatore Ams (Alpha Magnetic Spectrometer), lo strumento che - come dicono all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - porta la Big Science nella «casa spaziale comune».

Ams è uno spettrometro molto particolare. Progettato per rilevare la presenza di una serie di particelle elementari che è pressoché impossibile incontrare sulla Terra o anche produrre nei grandi acceleratori. Gli obiettivi di Ams in realtà sono tre: rilevare antimateria, materia oscura e materia strana. Il primo tipo di materia di cui andrà a caccia Ams, l’antimateria, è conosciuta da poco (non più di ottant’anni) ma molto bene sulla Terra. È costituita di particelle (antielettroni, antiprotoni, antineutroni) del tutto simili a quelle della materia ordinaria - fatta di elettroni, protoni e neutroni - con una sola differenza: hanno carica elettrica opposta.

L’antimateria si produce ogni qual volta, dal vuoto quantistico, si produce materia. Inoltre ogni colta che una particella di materia ne incontra una di antimateria si annichilano. Queste affermazioni generano una domanda cui i fisici cercano di rispondere: perché allora nell’universo c’è materia - perché nella battaglia cosmica ha vinto per ragioni ancora non chiare o perché la fuori ci sono stelle e galassie di antimateria? A questa domanda fondamentale Ams cercherà di trovare una risposta.

Il secondo tipo di materia che Ams cercherà è chiamata «materia oscura». Oscura nel doppio senso: perché non la vediamo e perché non ne conosciamo la natura. Sappiamo - se le nostre teorie cosmologiche sono giuste - che là fuori ce ne deve essere tanta: solo il 4% del cosmo, infatti, è costituito da materia ordinaria, oltre un quarto è costituito da questa «materia oscura» e la restante parte è costituito da «energia oscura». Ams ha il compito di dare un grosso contributo ad attenuare la nostra ignoranza sugli elementi costitutivi dell’universo. Il terzo tipo di materia di cui Ams sarà a caccia è detta «materia strana» ed è costituita da particolari tipi di quark.

Perché l’esperimento Ams, diretto dal premio Nobel Samuel Ting, parla bene l’italiano? Per molti motivi. Perché il vice responsabile è l’italiano Roberto Battiston, perché hanno dato un contributo determinante a realizzarlo i fisici e i tecnici dell’Infn e dell’Asi, perché molta tecnologia è stata prodotta in Italia, anche da piccole e media aziende. A dimostrazione che in questo nostro strano paese, malgrado tutto, sappiamo ancora eccellere in molti settori scientifici di punta. Una capacità che costituisce un patrimonio da non disperdere.

CHE COS’È E CHE COSA INDAGHERÀ

Ams (Alpha Magnetic Spectrometer) è un rivelatore di particelle progettato per essere collocato sulla ISS, l’avamposto dell’uomo nello spazio, che orbita a 400 km di altezza. Il suo compito è quello di intercettare e identificare con i suoi rivelatori tipi di particelle elementari che non si possono riprodurre sulla Terra con gli acceleratori. Particelle che potrebbero rivelare l’esistenza di antistelle e antigalassie o darci qualche indizio in più sulla natura della materia oscura, che dovrebbe costituire circa un quarto di tutto l’Universo. Ams registrerà il passaggio di decine di miliardi di raggi cosmici provenienti dalle profondità dello spazio, misurandoli prima che si scompongano o si annichiliscano nell’interazione con l’atmosfera del nostro pianeta. Setacciando e analizzando questa enorme quantità di dati con tecnologie avanzatissime, i ricercatori sperano di trovare tracce preziose di questa materia sconosciuta, di poterla misurare e comprendere, in uno straordinario sforzo scientifico e di conoscenza.

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Intervista

“Parte il cacciatore dell’Universo invisibile”

  Dopodomani verrà lanciato con lo shuttle l’esperimento “Ams”
  Dovrà scoprire i segreti della materia oscura e dell’antimateria

di Gabriele Beccaria (La Stampa TuttoScienze, 27.04.2011)

Sei giorni per portarlo in orbita e installarlo sulla Stazione Spaziale e poi il settimo - come in un’epifania biblica - inizierà a raccogliere dati e li invierà a Terra. L’occhio sull’Universo e sui suoi misteri sta per partire: l’appuntamento è per dopodomani, a bordo dello shuttle «Discovery». Grande quanto un autobus, pesa quasi 7 tonnellate e costa 1 miliardo e mezzo: si chiama «Ams», acronimo di Alpha magnetic spectrometer», ed è un peccato che ingegneri e scienziati non gli abbiano trovato un nome più evocativo, adeguato all’enfasi della sua missione.

Professor Roberto Battiston, lei è viceresponsabile dell’esperimento ideato con il Nobel Paul Ting e coordinatore italiano: «Ams» dovrà rispondere a domande da brivido sul passato e sul futuro del cosmo, legate alla ricerca di 3 tipi di materia: l’antimateria, la materia oscura e la materia «strana».

«E’ così. La prima domanda è questa: se nei primi momenti dell’Universo c’era una perfetta simmetria, con tante anti-particelle quante particelle, che fine hanno fatto le prime? Sappiamo che almeno una parte su 10 miliardi di materia è sopravvissuta all’annichilazione iniziale, e questa parte siamo noi e l’Universo visibile, ma allora dov’è la corrispondente parte di antimateria?».

Finora quale risposta ci si è dati?

«L’antimateria potrebbe essere sparita, perché la simmetria nascosta delle leggi della fisica l’avrebbe fatta “morire” più facilmente della materia. Finora, però, non abbiamo trovato indizi di questa possibilità. Un’altra teoria è che si sia creata un’isola di antimateria, anche se non la vediamo, perché, quando studiamo le galassie più lontane, non capiamo se siano fatte di materia o antimateria».

Che cosa vi aspettate di scoprire?

«O l’antimateria è davvero scomparsa, e in questo caso dovremo concentrarci sul perché, oppure - e sarebbe un esito clamoroso - vedremo qualche antinucleo di carbonio, ossigeno o elio e potremo dedurre che ce ne sono quantità enormi in qualche zona lontana dell’Universo».

Perché l’esito sarebbe clamoroso?

«A parte l’idrogeno e l’elio, gli atomi della tabella di Mendelev sono stati costruiti nel cuore delle stelle attraverso fusioni ad altissima temperatura tra atomi leggeri. Succede anche nel Sole: quando morirà, espellerà frammenti di materiali pesanti, che a loro volta si ricompatteranno in nuove stelle, che genereranno atomi ancora più pesanti, dal ferro all’uranio. La storia della Terra e dell’evoluzione è esattamente questa: una serie di trasformazioni realizzate in grandi fucine nucleari. Se trovassimo anche un solo antinucleo di carbonio o di ossigeno, significherebbe che ci sono delle antistelle al lavoro, che realizzano gli stessi processi di cui parlavo, ma a partire dall’antimateria».

Basterebbe un solo antinucleo?

«Sì. Avremmo l’indicazione che ne esistono quantità enormi, con intere galassie e “isole” nell’Universo. Sarebbe una scoperta straordinaria».

Seconda questione: la materia oscura: esiste e come la si trova?

«E’ noto che nell’Universo esiste una massa invisibile 6 volte maggiore di quella che vediamo e che emette luce. Ecco perché è stata chiamata materia oscura: non sappiamo che cosa sia, ma determina la forza gravitazionale delle galassie. Ora stiamo cercando in tanti modi le sue particelle: sulla Terra, nei laboratori del Gran Sasso, per esempio, e nello spazio, studiando le distorsioni delle distribuzioni dei raggi cosmici noti».

Il terzo tipo di materia che cercherà di intercettare «Ams» è quella «strana»: che caratteristiche ha?

«Se ne parla a proposito delle stelle di neutroni: quando una stella troppo grossa implode, può produrre un “nocciolo” che non è più formato di atomi, ma è un unico e gigantesco nucleo atomico di neutroni. I fisici teorici hanno dimostrato che questi neutroni potrebbero contenere un tipo particolare di quark, i quark “strani”».

E che stelle sarebbero?

«Sarebbero stelle debolmente cariche e frammenti di queste stelle potrebbero arrivare sulla Terra con caratteristiche peculiari: una massa molto grossa, 100 volte quella di un nucleo di idrogeno, ma una carica elettrica debolissima. Ecco perché saremmo di fronte alla materia “strana”: vìola il rapporto di equivalenza tra protoni e neutroni nella massa atomica. Ma non basta ancora. A parte antimateria, materia oscura e materia “strana”, la ragione più affascinante che ci spinge a fare tutte queste misure di precisione è la speranza di scoprire qualcosa che non ci aspettiamo: la logica che ci guida è la sorpresa».

Sorprese che rivoluzioneranno la concezione dell’Universo?

«Viviamo un momento storico incredibile: se apriamo i libri di testo, dobbiamo ammettere di conoscere meno del 4-5% del bilancio materiaenergia dell’intero Universo, mentre c’è un 95% di cui sappiamo di non sapere nulla. Stiamo andando un po’ alla cieca, ma le domande esistono».

E per tentare delle risposte quando comincerete a leggere i dati in arrivo dai 650 computer di «Ams»?

«Prestissimo. Il braccio robotico dello shuttle consegnerà “Ams” a quello della Stazione e sarà questo a collocarlo a un’estremità della struttura orbitante: a quel punto ci sarà un clic, anche se nello spazio non si sentirà, e si attiveranno tutte le connessioni elettriche, dando immediatamente il via all’esperimento».

In pratica, che cosa osserverete?

«A differenza di un telescopio che deve mettere a fuoco un “pezzo” di cielo, e si tratta di un’operazione che richiede tempo, “Ams” dovrà misurare e identificare le particelle che lo attraversano: già dopo pochi minuti dall’accensione vedremo subito se tutto funziona regolarmente».

Sarà un diluvio di dati, giusto?

«In effetti si tratta di un ritmo impressionante, anche 2 mila particelle al secondo che satureranno i software e in tempo reale riempiranno i database per la consultazione. Poi seguirà la seconda fase, con l’analisi raffinata delle caratteristiche delle particelle stesse: ci vorranno settimane, mesi e anche anni, soprattutto per gli eventi più rari e anomali, che richiederanno lunghe catene di verifiche e controlli».

All’esperimento partecipano 600 ricercatori di 16 nazioni e 60 sono italiani: è un ruolo di primo piano.

«Sì. Il nostro è un contributo molto importante - che vale il 25% del progetto - grazie all’Infn e all’Asi e per questo avremo un accesso facilitato ai dati e per molto tempo: “Ams” sta per diventare parte integrante della Stazione e quindi funzionerà almeno fino al 2020 e forse fino al 2028. Non ci sono elementi di consumo a bordo: si spegnerà quando si spegnerà la Stazione».