Una delle taniche dell’Osservatorio Auger
La collaborazione scientifica dell’Osservatorio Pierre Auger ha misurato, con una precisione mai ottenuta prima, lo spettro in energia dei raggi cosmici di altissima energia. Si tratta di nuclei atomici che colpiscono la Terra, molto raramente, e che vengono prodotti in sorgenti extragalattiche sino a energie estreme, pari a 100 miliardi di miliardi (1020) di elettronvolt. Per avere un’idea di quanto queste energie siano grandi, si pensi che per raggiungerle si dovrebbe costruire un acceleratore di particelle con un anello lungo quanto l’orbita di Mercurio.
Grazie all’altissima precisione della misura, la collaborazione Auger ha riportato la prima osservazione di un repentino cambio di pendenza a circa 13 miliardi di miliardi di elettronvolt nella curva che descrive l’andamento dello spettro in funzione dell’energia. Questo risultato è particolarmente importante e fornisce un’ulteriore evidenza del fatto che la composizione chimica dei raggi cosmici possa variare con l’energia.
«Lo spettro di energia osservato», spiega Antonella Castellina, ricercatrice all’Inaf di Torino, associata Infn e co-spokesperson dell’esperimento, «permette di determinare anche la densità di energia iniettata in raggi cosmici di altissima energia da sorgenti continue nello spazio extragalattico. È interessante notare che alcune classi di nuclei galattici attivi e galassie starburst, per le quali sono state ottenute indicazioni di anisotropia in diverse analisi della collaborazione Pierre Auger, possono fornire questo tasso di produzione di energia: un interessante passo avanti nella ricerca delle sorgenti di particelle di energia così estrema».
Per raggiungere questo risultato, l’apporto della comunità scientifica italiana è stato cruciale. Infatti, come evidenzia Valerio Verzi, responsabile nazionale per l’Infn dell’esperimento Auger, «I gruppi italiani, guidati dall’Infn, hanno contribuito in modo sostanziale a tutto il lungo processo che ha portato alla pubblicazione di questi importanti risultati. Dalla costruzione del rivelatore, alla presa dati durata circa 15 anni, all’analisi dei dati».
Il risultato, che ha portato alla pubblicazione di due articoli sulle riviste scientifiche Physical Review Letters e Physical Review D, selezionati negli Highlights dell’American Physical Society (Aps), è stato ottenuto grazie alla rivelazione di oltre 215mila sciami atmosferici di raggi cosmici di altissima energia osservati in circa 15 anni di presa dati del rivelatore di superficie dell’Osservatorio che occupa una superficie di tremila chilometri quadrati nella regione della Pampa Amarilla in Argentina.
«La misura presentata dalla collaborazione è unica sia per la precisione statistica sia per l’ottimo controllo delle incertezze sistematiche», aggiunge Verzi. «In particolare, grazie alle misure fornite dai telescopi di fluorescenza, si ottiene una stima calorimetrica dell’energia degli sciami che quindi non necessita di modellizzazioni teoriche difficilmente verificabili ad energie non raggiungibili in laboratorio».
L’Osservatorio Pierre Auger è costituito da un sistema ibrido che comprende rivelatori di superficie e telescopi di fluorescenza. I primi, 1600 taniche di acqua posti a 1,5 chilometri l’una dall’altra, osservano lo sciame dei raggi cosmici quando colpisce la superficie terrestre, rivelando e contando le particelle prodotte al livello del suolo. I 27 telescopi distribuiti intorno alla griglia di rivelatori di superficie raccolgono, invece, i lampi di luce di fluorescenza prodotti nell’aria dalle particelle cariche dello sciame, osservandone così lo sviluppo longitudinale lungo la direzione di provenienza.
L’Osservatorio è gestito da una collaborazione internazionale di oltre 400 scienziati provenienti da 17 paesi diversi, a cui l’Italia partecipa con gruppi delle università e sezioni Infn di Catania, L’Aquila, Lecce, Milano, Napoli, Roma Tor Vergata, Torino, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, il Gssi e l’Osservatorio astrofisico di Torino dell’Inaf.