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Dopo 10 anni, ancora sorprese sui positroni nei raggi cosmici dall'esperimento PAMELA

Venerdì 17 giugno nuovi risultati dell'esperimento PAMELA sulla componente di positroni nella radiazione cosmica sono stati pubblicati da Physical Review Letters ed evidenziati sulla rivista online Physics.

Il 15 giugno 2006 lo strumento PAMELA veniva messo in orbita a bordo del satellite russo Resurs-DK1 da una Soyuz lanciata dalla base di Baikonur in Kazakhstan. Per festeggiare il decennale di quell’evento la collaborazione PAMELA ha organizzato un workshop che si è tenuto il 15 giugno 2016 a Villa Mondragone, Centro Congressi dell’Università di Roma Tor Vergata, con la partecipazione degli Enti di Ricerca, le Università, le agenzie spaziali e le industrie che hanno reso l’esperimento possibile, e, soprattutto, della comunità scientifica che, negli anni, ha seguito i risultati che la missione ha prodotto. In questi entusiasmanti 10 anni di presa dati in orbita, PAMELA ha ottenuto risultati fondamentali ampiamente riconosciuti dalla comunità scientifica internazionale. Ancora venerdì 17 giugno, la prestigiosa rivista Physical Review Letters ha pubblicato, ed evidenziato come suggerimento degli Editori e sul website Physics dell’American Physical Society, nuovi risultati sulla componente dei positroni nella radiazione cosmica ottenuti dall'esperimento PAMELA.

I primi risultati pubblicati nel 2009 su Nature, ottenuti dalla collaborazione PAMELA sotto la guida del Dott. Mirko Boezio dell’INFN di Trieste e responsabile delle attività di analisi, mostravano in modo inaspettato delle caratteristiche in contrasto con quanto noto sia alle basse che alle alte energie. Al crescere dell’energia sopra i 10 GeV, aumentava in modo inequivocabile la frazione di positroni, ovvero il rapporto tra il numero di positroni e la somma di positroni più elettroni, nella radiazione cosmica. I modelli teorici prevedevano invece una continua decrescita del rapporto, come previsto da una produzione di antiparticelle, come i positroni, dall’interazione dei raggi cosmici con le particelle del mezzo interstellare. Contributi da annichilazione di materia oscura o da Pulsar, necessità di modifiche dei modelli di propagazione dei raggi cosmici nella Galassia furono le possibili spiegazioni ideate dai teorici in oltre mille pubblicazioni. Anche alle basse energie, inferiori ad alcuni GeV, i risultati di PAMELA sulla frazione di positroni erano in contrasto coi modelli ed in questo caso anche con diverse misure sperimentali effettuate negli anni novanta e considerate particolarmente affidabili. Una possibile spiegazione di queste differenze era da ricercare nell’effetto del vento solare sulla propagazione dei raggi cosmici nell’eliosfera. Il vento solare è un plasma di particelle cariche emesso dal sole che trascina con se il campo magnetico solare con cui i raggi cosmici interagiscono. L’effetto più evidente è quello di una modulazione degli stessi, ovvero di un aumento e diminuzione dei raggi cosmici che raggiungono la terra in maniera inversamente proporzionale all’intensità dell’attività solare che ha un andamento undecennale.

Alcuni anni dopo, gli esperimenti Fermi ed AMS-02 hanno confermato i risultati di PAMELA ma nonostante questo, ad oggi, un'interpretazione definitiva dell'eccesso di positroni è ancora ignota. Per trovarla servirebbe anche capire i flussi di positroni a più basse energie. Il nuovo studio della collaborazione PAMELA, argomento della pubblicazione su Physical Review Letter, fa proprio questo.

Il gruppo di analisi guidato dal dott. Riccardo Munini, giovane post-doc dell’INFN di Trieste, in collaborazione col gruppo teorico del prof. Marius Potgieter della “North-West University” di Potchefstroom, Sud Africa, ha studiato per la prima volta in maniera continuativa la variazione dell’intensità di positroni ed elettroni dal luglio 2006 a dicembre 2015, ovvero da un minimo di attività solare (2006-2009) fino a dopo il massimo del ciclo solare successivo, passando attraverso l’inversione del campo magnetico dell’eliosfera che è avvenuto tra il 2013 ed il 2014. Questo studio, ha evidenziato in maniera chiara che la differenza a bassa energia della frazione di positroni misurata da PAMELA con quanto atteso è effettivamente dovuta alla variazione dell’attività solare e della polarità del campo magnetico solare. I gradienti e curvature presenti nel campo magnetico dell’eliosfera, inducono moti di deriva che dipendono dal segno della carica dei raggi cosmici. Nel periodo solare esplorato da PAMELA precedente il 2013, il campo magnetico dell’eliosfera era diretto verso il sole nell’emisfero Nord, mentre dalla fine del 2012 ha iniziato una fase di inversione della polarità che è terminata all’inizio del 2014. I moti di deriva delle particelle cariche sono opposti nelle due fasi e, quindi, il numero di elettroni e positroni varia in modo contrario, con più elettroni e meno positroni nel primo periodo e più positroni e meno elettroni nel secondo. Nel 2015 la frazione di positroni misurata a bassa energia da PAMELA aumenta drasticamente tenendo verso i valori misurati negli anni novanta, un periodo di polarità del campo magnetico solare uguale all’attuale.

PAMELA è uno spettrometro magnetico istallato a bordo di un satellite russo in orbita quasi polare attorno alla terra. Il satellite fu lanciato dalla base di lancio di Baykonur, Kazakhstan, il 15 giugno 2006 e da allora è stato in presa dati quasi continua. L’esperimento, a guida del professor Piergiorgio Picozza dell’INFN e dell’Università’ di Tor Vergata e del prof. Arkady Galper della “National Research Nuclear University, MEPhI” di Mosca, è il risultato di una collaborazione internazionale tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ed Università italiane, russe, svedesi e tedesche col contributo fondamentale dell’Agenzia Spaziale Italiana e dell’agenzia spaziale russa (Roscosmos).

Ultimo aggiornamento: 14/12/2018 

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Immagine nella testata della pagina: raffigurazione artistica di tracce del passaggio di particelle nella BEBC, Big European Bubble Chamber (Copyright CERN).