L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer a bordo della Stazione Spaziale Internazionale
L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), è in grado di raccogliere dati di elevata accuratezza, che negli ultimi mesi hanno permesso di estrapolare nuove stime, sempre più precise, del rapporto tra antiprotoni e protoni nei raggi cosmici provenienti dalla nostra Galassia. Un team di ricercatori della collaborazione AMS ha sviluppato una nuova metodologia di analisi di questi dati, al fine di ottenere una stima robusta del fondo astrofisico di antiparticelle. I risultati, pubblicati in un recente studio sulla rivista Physical Review D, forniscono un nuovo sguardo sul fondo di antimateria, e sui processi che ne regolano la produzione e il trasporto all’interno della nostra Galassia.
Le misure ottenute di recente da AMS hanno mostrato che il rapporto tra il flusso di antiprotoni e quello di protoni alle altissime energie appare inspiegabilmente costante. Questo dato è in forte contraddizione con i modelli a nostra disposizione per spiegare la produzione e il trasporto di antiprotoni nella nostra Galassia, con i quali si prevede una rapida decrescita di questo rapporto al crescere dell’energia. Rimane da capire se questo comporti l’esistenza di nuove sorgenti esotiche, in particolare se implichi l’annichilazione tra particelle di materia oscura. Per ottenere una risposta definitiva, molti scienziati concordano sulla necessità di ottenere una conoscenza più approfondita del fondo astrofisico di antiparticelle.
A tal proposito, il team di ricercatori della collaborazione AMS ha sviluppato una nuova tecnica di analisi. Grazie ai dati raccolti dall’esperimento a bordo della ISS, gli scienziati hanno potuto analizzare una grande varietà di osservazioni di abbondanze nucleari e isotopiche nei raggi cosmici. Questo tipo di osservazioni fornisce informazioni preziose sui vari processi astrofisici che regolano la produzione e il trasporto delle antiparticelle nella Galassia e nel Sistema solare. Tuttavia, la formulazione di un modello realistico richiede l’impiego di un elevato numero di parametri liberi, di procedure estremamente complesse e tempi di calcolo spesso proibitivi. Questo nuovo studio fa uso di un metodo differente e molto efficace, chiamato Metodo delle Catene di Markov.
L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) durante l’ultima fase di test al CNR, pochi giorni prima di essere inviato a Cape Canaveral. Crediti: CERN
«Il procedimento consiste nel formulare un modello astrofisico e utilizzarlo per calcolare ripetutamente le quantità osservabili in funzione dei parametri liberi, i cui valori vengono scelti ogni volta in modo casuale, cioè estratti a sorte con il metodo Monte Carlo», spiega a Media INAF Jie Feng, ricercatore presso l’Università di Canton e il CERN, e primo autore dell’articolo. «Il campionamento è di tipo Markoviano, ovvero un processo stocastico in cui la probabilità di passare da una data configurazione di parametri ad una successiva dipende esclusivamente dalla configurazione immediatamente precedente. La successione dei valori dei parametri estratti “a sorte” prende il nome di catena di Markov. Analizzando i risultati, ottenuti come se fossero frutto di osservazioni, si ricavano i valori attesi dei parametri e le loro proprietà statistiche».
In pratica, i ricercatori hanno generato lunghe sequenze, o catene di Markov, contenenti decine di migliaia di configurazioni nello spazio dei parametri e associate ad altrettante predizioni. Questo procedimento ha permesso di effettuare una predizione robusta del fondo astrofisico di antiparticelle galattiche, e soprattutto di quantificare le incertezze ad essa associate. Il risultato finale conferma che il fondo astrofisico dei positroni (gli antielettroni) non è compatibile con i dati di AMS, cioè vi è un chiaro eccesso che non può essere spiegato da alcun meccanismo astrofisico di trasporto e interazioni dei raggi cosmici nel mezzo galattico. Il flusso di antiprotoni, invece, risulta compatibile con le predizioni, o meglio “non-incompatibile”, come precisa Feng, «anche a causa di grandi fattori di incertezza che non permettono di stabilire con precisione l’esistenza o meno di un eccesso di origine esotica».
Nicola Tomassetti, ricercatore presso l’Università di Perugia e il CERN
Resta favorita l’ipotesi che stiamo osservando nuovi processi fisici fondamentali. È infatti emerso che i dati prediligono modelli in cui le proprietà di trasporto dei raggi cosmici variano in diverse regioni della Galassia (ne abbiamo parlato qui). In particolare il trasporto lungo il piano della Via Lattea sembra avvenire con una dipendenza inaspettatamente debole dall’energia. «La limitata comprensione dei processi di propagazione dei raggi cosmici, dalla Via Lattea fino alla più vicina Eliosfera, è uno dei maggiori fattori di incertezza nella predizione del fondo astrofisico di antimateria», spiega a Media INAF Nicola Tomassetti, co-autore dell’articolo e ricercatore presso l’Università di Perugia e il CERN. «Per fortuna presto potremo ottenere predizioni molto più precise, grazie ai nuovi dati che sta raccogliendo AMS sulla componente nucleare dei raggi cosmici energetici». La qualità dei nuovi dati AMS è uno dei motivi che ha spinto i ricercatori ad adottare tecniche statistiche innovative per la loro analisi.
Un altro grande fattore di incertezza è introdotto dal meccanismo di produzione degli antiprotoni attraverso collisioni tra raggi cosmici e materia interstellare, le cosiddette “incertezze nucleari”. «Per valutare queste incertezze abbiamo utilizzato dei generatori adronici che sono stati profondamente migliorati, negli ultimi anni, grazie ai dati del Large Hadron Collider (LHC) al CERN», racconta a Media INAF Alberto Oliva, ricercatore al CIEMAT di Madrid e al CERN, co-autore dello studio. «Speriamo che gli esperimenti a LHC potranno fornirci ulteriori misure di precisione sulla produzione di antimateria. Queste misure sarebbero di grandissimo aiuto per ridurre le incertezze nucleari nei modelli astrofisici».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Bayesian analysis of spatial-dependent cosmic-ray propagation: Astrophysical background of antiprotons and positrons” di Jie Feng, Nicola Tomassetti e Alberto Oliva