Fisica. Pubblicati i primi risultati dell’esperimento DAMPE sulla materia oscura

satellite dampe

La rivista scientifica Nature ha recentmente pubblicato i primi risultati dell’esperimento DAMPE (DArk Matter Particle Explorer), in orbita su satellite dal dicembre 2015. Si tratta della misura del flusso di elettroni e positroni cosmici di altissima energia (da 55 GeV a 4,6 TeV). Per la prima volta la misura diretta di queste particelle nello spazio riesce a mettere in evidenza e valutare una brusca variazione, in gergo “break”, nell’andamento del loro flusso in funzione dell’energia.  Ad energie al di sopra dei 0.9 TeV, il flusso di elettroni e positroni cambia il suo andamento e si “piega”, decrescendo più rapidamente con l’aumentare dell’energia.

Questo fenomeno era stato recentemente misurato solo da esperimenti a terra, con osservazioni indirette, con un’incertezza molto maggiore e risultati in parte ancora preliminari.

DAMPE, il primo satellite astrofisico cinese, è una collaborazione internazionale a cui lavorano oltre 100 tra scienziati, tecnici e studenti provenienti da istituzioni cinesi, italiane e svizzere guidate dal Purple Mountain Observatory (PMO) dell’Accademia Cinese di Scienze (CAS). L’Italia è coinvolta con un gruppo di circa venti scienziati dalle sezioni di Perugia, Bari e Lecce dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e le Università di Perugia, Bari e del Salento.

“Il lavoro presentato oggi – dice il Dott. Giovanni Ambrosi dell’INFN di Perugia, portavoce italiano dell’esperimento – è un passaggio fondamentale per la collaborazione internazionale, e dimostra come mettere in orbita strumenti altamente sofisticati permetta di individuare nuovi fenomeni. Questo risultato rappresenta solo l’inizio del ricco programma scientifico che ci aspetta nei prossimi anni per capire il comportamento dell’universo alle alte ed altissime energie, contribuendo a svelare la natura ultima della materia oscura, di cui sappiamo ancora molto poco”.

L’importanza della misura di DAMPE è legata alla ricerca delle sorgenti di elettroni e positroni ad energie del TeV, se siano di natura astrofisica, ad esempio pulsar, o se la loro presenza sia dovuta in parte alla materia oscura, come sembrerebbe possibile date le caratteristiche del flusso di positroni osservato fino a quelle energie dall’esperimento AMS-02.

“Questa nuova osservazione di DAMPE è particolarmente interessante perché può essere legata ad un cambiamento nelle caratteristiche delle sorgenti di elettroni e positroni ad energie del TeV – spiega la Prof. Bruna Bertucci, responsabile scientifico del progetto per l’Ateneo di Perugia -. E’ proprio la ricerca di anomalie nel comportamento dei raggi cosmici più rari che ci spinge da più di vent’anni a progettare e coordinare esperimenti sempre più sofisticati in collaborazione con i principali istituti di ricerca ed agenzie spaziali  nazionali ed internazionali”.

Lo sforzo principale dei ricercatori, in questi quasi due anni dal lancio, è stato l’analisi dei dati raccolti dal rivelatore in orbita. In particolare, oltre allo studio delle prestazioni del rivelatore ed il confronto con i dati presi nei test di qualifica presso il CERN, gli scienziati italiani hanno lavorato allo sviluppo di algoritmi per il riconoscimento delle diverse particelle (elettroni, fotoni, protoni, ioni). Attualmente, dopo la pubblicazione dei risultati sul flusso di elettroni e positroni, il gruppo italiano sta lavorando alla misura del flusso di protoni e ioni, e allo studio dei fotoni di alte energie.

DAMPE  si inserisce  in un percorso di ricerca in ambito internazionale che l’Istituto di Fisica Nazionale e l’Università di Perugia hanno perseguito congiuntamente con grande successo a partire dalla fine degli anni ’90, con gli esperimenti spaziali FERMI ed AMS, e che ha evidenziato le competenze tecnologiche e scientifiche del team di ricerca umbro.

Responsabile del progetto scientifico a livello nazionale è il Dott. Giovanni Ambrosi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Perugia, suo è stato il compito di progettare e costruire nei laboratori perugini il tracciatore al silicio: una tecnologia molto avanzata per esperimenti nello spazio in cui il gruppo di ricerca ha un’esperienza riconosciuta a livello internazionale.

La Prof.ssa Bertucci, del Dipartimento di Fisica e Geologia, ha invece curato la qualifica spaziale dello strumento nelle strutture del laboratorio SERMS presso il Polo Scientifico e Didattico di Terni: è proprio dopo la visita ai laboratori di qualifica di Terni che la delegazione internazionale comprendente i vertici degli istituti partecipanti a DAMPE  ha formalmente dato avvio alla collaborazione con l’Italia nel Maggio 2013.

Le infrastrutture di camera pulita per l’assemblaggio di precisione di rivelatori al silicio  presso il Dipartimento di Fisica e Geologia ed i laboratori di qualifica spaziale SERMS e CEM presso il Polo Didattico di Terni hanno reso Perugia un centro di primaria importanza nel panorama nazionale e internazionale nello sviluppo di strumentazione per lo spazio.

In particolare, grazie alle loro caratteristiche, i laboratori di qualifica spaziale di Perugia sono parte di un progetto europeo H2020 – AHEAD – volto appunto a mettere in rete le infrastrutture scientifiche e laboratori più avanzati a livello europeo. E’ dello scorso Luglio, la decisione maturata dalla NASA di qualificare proprio nei laboratori SERMS e CEM un nuovo sistema per l’upgrade controllo termico di AMS-02, da installarsi nel 2019 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

Allo stesso tempo, le competenze scientifiche maturate nell’analisi dei dati provenienti dalla strumentazione in orbita, permettono ai ricercatori di perfezionare nuovi modelli fenomenologici, dedicandosi anche ad applicazioni quali la meteorologia spaziale o “space weather” di grande interesse per lo sviluppo di missioni spaziali di lunga durata.

Tutte queste attività hanno una ricaduta importante sulla formazione dei più giovani, offrendo l’opportunità a studenti, dottorandi e giovani ricercatori di partecipare a progetti che si collocano alla frontiera della ricerca sia nel campo della fisica fondamentale che nelle  sue applicazioni più tecnologiche

Il satellite Dampe è uno dei cinque progetti di missione spaziale del programma Strategic Pioneer Program on Space Science della CAS. Ha un peso complessivo di circa 1900 kg, di cui 1400 kg per l’esperimento scientifico. Una componente chiave del satellite è il tracciatore al silicio, realizzato dai ricercatori italiani con il coordinamento dell’INFN di Perugia, basandosi sull’esperienza e le competenze acquisite nel lavoro svolto per altri esperimenti spaziali come AMS-02.  Per garantire l’affidabilità delle scelte costruttive e le prestazioni del rivelatore con i raggi cosmici, un modello di qualifica – del tutto analogo a quello impiegato in volo – è stato sottoposto prima del lancio a verifiche presso il CERN di Ginevra, nell’ambito di una campagna di test con fasci di elettroni, protoni e ioni, con il contributo essenziale di attrezzature ed esperienza della componente italiana della Collaborazione. DAMPE è in grado di misurare con grande accuratezza la direzione di arrivo delle particelle e dei fotoni cosmici e, allo stesso tempo, di differenziare le specie nucleari che compongono i raggi cosmici e la loro traiettoria. In particolare, misura elettroni e fotoni nell’intervallo di energie tra i 5 GeV (5 miliardi di elettronvolt) e i 10 TeV (diecimila miliardi di elettronvolt), così come è in grado di misurare il flusso di nuclei nell’intervallo tra 100 GeV e 100 TeV, fornendo quindi nuovi dati e indicazioni per capire l’origine e la propagazione dei raggi cosmici di alta energia.

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