Un Eccesso di Positività

Il Giornale Online

L'astronomia dei raggi gamma è un affare complicato. Quando pensate ad un telescopio, pensate ad una disposizione di lenti, specchi e rilevatori simili ai chip della vostra videocamera. Quando gli astronomi sono arrivati agli estremi dello spettro elettromagnetico, fotoni a bassa energia, come onde radio e fotoni ad altissime energie, come raggi gamma, i telescopi sono cambiati. Pensiamo ai fotoni ottici come onde o goccie di acqua, ma i fotoni individuali dei raggi gamma sembrano più dei proiettili. I fotoni dei raggi-X passano attraverso la pelle senza fermarsi, lo sappiamo bene, ma i fotoni dei raggi gamma passeranno attraverso il piombo senza fermarsi. E' quasi impossibile curvarli usando la materia, quindi non possiamo usare lenti o specchi. Proviamo invece a catturarne il massimo numero per capire da quale direzione arrivino.

Un telescopio per i raggi gamma sembra un cubo gigante, è quello che è infatti. I telescopi dei raggi gamma son fatti con sottili strati di un certo materiale obiettivo, solitamente un metallo pesante e denso come il tungsteno che ha un nucleo “grosso”, alternati a strati di un materiale per la rilevazione come il silicio che può contare gli elettroni. Quando un fotone dei raggi gamma colpisce questo telescopio, passa nel processo detto “showering”. Passando vicino ad uno dei nuclei obiettivo, il fotone può trasformarsi spontaneamente in una coppia elettrone-positrone. Queste particelle ad alta energia quindi continuano a colpire altri nuclei, che rilasciano altri elettroni e positroni e così via. In questo modo un singolo fotone ad alta energia può scatenare una cascata di particelle a bassa energia, che possono essere catturate e misurate nei rilevatori al silicio.

Quindi il computer del telescopio può usare i punti dove sono state rilevate le particelle per ricostruire la traiettoria del fotone originale e dirci la sua provenienza. La cosa importante del telescopio per i raggi gamma è che non rileva solo fotoni, ma anche elettroni e positroni. Ecco perchè tali telescopi vengono usati anche per rilevare raggi cosmici, nuclei che sono stati accelerati a velocità incredibili in acceleratori di particelle naturali come i buchi neri e le supernove. Questo documento http://arxiv.org/abs/1109.0521 discute una nuova scoperta importante del Fermi Gamma-Ray Telescope, un nuovo osservatorio spaziale lanciato nel giugno del 2008.

Lo strumento LAT (Large Area Telescope) del Fermi, è un grande rilevatore cubico come quello suddetto. Il team del Fermi ha voluto usare il LAT per misurare la differenza in abbondanza tra gli elettroni e i positroni dei raggi cosmici. Dato che elettroni e positroni nelle energie dei raggi cosmici solitamente sono prodotti da una interazione conosciuta dei nuclei dei raggi cosmici con il gas naturale che fluttua attorno e tra le stelle, il rapporto tra i due e il come cambia con l'energia, può essere predetto. Recentemente però, uno strumento per i raggi cosmici chiamato PAMELA, un tracciatore spaziale di particelle equipaggiato con un campo magnetico, ha confermato misure precedenti che suggerivano che potrebbero esserci più positroni ad alte energie di quanto ci aspetteremmo. Questo implicherebbe che esistono processi cosmici da qualche parte, che generano positroni con un meccanismo totalmente differente, non solo creandoli come conseguenza delle interazioni tra raggi cosmici.

Il team del Fermi, naturalmente, ha voluto misurare questa tendenza e vedere se la frazione dei positroni continua ad alzarsi ad energie superiori. Dato che il Fermi è nello spazio, ha accesso a diversi regimi di energia rispetto agli strumenti a terra, la maggioranza dei raggi cosmici sono bloccati dall'atmosfera della Terra, che va bene per noi esseri viventi, ma non per gli astronomi. Il gruppo del Fermi però ha affrontato un grosso problema: il LAT non ha modo per distinguere tra elettroni e positroni. Dato che elettroni e positroni sono rispettive antiparticelle, sono completamente identici a parte che nella carica elettrica. Il solito modo per distinguere particelle e antiparticelle è metterle in un campo magnetico, allora le particelle curveranno in un modo e le antiparticelle nell'altro e i rilevatori possono misurare la curvatura delle loro tracce mentre passano attraverso il telescopio. Diversamente da PAMELA, il LAT non è stato costruito con tale campo magnetico e dato che è nello spazio, non possiamo aggiungerlo. Questo non ha fermato gli scienziati. Hanno usato un metodo intelligente che sfrutta la Terra.

La Terra è grande e spessa abbastanza per bloccare tutti i raggi cosmici che la colpiscono. Dato che il telescopio è nell'orbita della Terra, vede l'ombra del pianeta relativa ai raggi cosmici, come orizzonte e da sotto di essa non possono arrivare particelle. Dato però che la Terra possiede un campo magnetico intrinseco, gli elettroni e i positroni del raggio cosmico che arrivano dalla stessa direzione, inizieranno a deviare uno rispetto all'altro avvicinandosi al pianeta. Questo divide effettivamente l'ombra della Terra in due orizzonti separati, uno per gli elettroni e uno per i positroni, disallineati per pochi gradi. Di conseguenza, se una particella viene da una direzione sopra l'”orizzonte” del positrone, ma sottostante all'”orizzonte” dell'elettrone, deve essere un positrone. Similmente, a 180° di distanza, le particelle possono arrivare da sopra l'orizzonte dell'elettrone, ma sotto quello del positrone. Ci sono certe direzioni da cui possono arrivare solo elettroni e certe da cui arrivano solo positroni. Scegliendo un livello di energia dove gli orizzonti sono ben divisi e il telescopio ha una risoluzione molto buona e contando solo eventi che sembrano arrivare da queste direzioni permesse solo ad un tipo di particella, il LAT può indicarci il rapporto tra elettroni e positroni.

Quanto scoperto dal team, è sia incredibilmente sorprendente, che completamente atteso: la frazione dei postroni continua a crescere notevolmente a energie sempre più alte. Questo è atteso, combacia bene con i dati di PAMELA, ma è molto sorprendente, perchè non abbiamo ancora idea del come o perchè avvenga. La frazione dei postroni non è solo più alta di quanto dovrebbe a tali energie, ma cresce, mentre la teoria predice che dovrebbe diminuire. Da qualche parte nella galassia c'è un processo cosmico ad alta energia (i raggi cosmici, nonostante il nome, non viaggiano così lontano) che crea in modo preferenziale o accelera positroni rispetto agli elettroni e non sappiamo cosa possa essere. Ci sono alcuni candidati, come tipi particolari di decadimento radioattivo, ma come tante cose riguardanti i raggi cosmici, la maggioranza delle fonti sono sconosciute. Alcuni scienziati pensano che possa essere un segnale della materia oscura o dal cosiddetto “settore nascosto” di particelle predetto da alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard. Serviranno altri esperimenti col Fermi, così come esperimenti tipo AMS-02 (altro esperimento di rilevazione che può meglio distinguere diversi tipi di particelle).

di Elizabeth Lovegrove (UC-Santa Cruz)
Immagine: il cielo di elettroni-positroni ripreso dal Large Area Telescope http://www.physorg.com/news/2011-09-fermi-gamma-ray-space-telescope-puzzling.html
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://astrobites.com/2011/09/05/an-excess-of-positivity/

Un Eccesso di Positività ultima modifica: 2011-09-16T12:19:55+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)