di  -  martedì 15 febbraio 2011

Forse, qualcuno di voi, ha notato la mia assenza da questa pagine per un certo periodo di tempo. Sono qui ora per scusarmi dell’assenza, giustificarla, e ricominciare a scrivere regolarmente.

La giustificazione è che ho finito il mio lavoro di dottorato, che vi ho in passato introdotto in uno dei miei primi post. Vi assicuro che appena la tesi verrà pubblicata sarete i primi a poterne discutere i risultati su queste pagine. In seguito alla conclusione del dottorato, ho cominciato il mio nuovo lavoro di ricerca. Sono stata assunta dall’Academia Sinica di Taiwan, per lavorare sull’esperimento AMS-02, un satellite alla ricerca di antimateria, che coinvolge più di 30 istituti scientifici sparsi in 16 nazioni. La mia sede, però, non è a Taiwan, bensì al CERN, a Ginevra, dove si trova l’acceleratore LHC. Il centro di controllo di AMS-02, infatti, sarà proprio qui al CERN.

Ma che cos’è AMS? A dirla semplice, AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) non è altro che un rivelatore di particelle molto simile a quelli montati nei famosi 4 punti dell’LHC, dove si svolgono gli esperimenti ATLAS, CMS, LHC-b e ALICE. Al contrario di questi quattro complessissimi esperimenti, AMS deve riuscire a funzionare in condizioni estreme: nello spazio.

Invece di misurare le particelle create da un acceleratore terrestre, infatti, AMS vuole misurare le particelle provenienti dall’Universo, comprenderne le proprietà, l’origine e nel frattempo dare risposta ad alcune delle domande chiave nella comprensione del Cosmo e del nostro Universo. Di certo questo non è un facile obiettivo, e per riuscire a rivelare particelle di natura diversa, in un vasto intervallo energetico e con una precisione elevata il rivelatore deve essere abbastanza complesso.

In particolare, AMS è composto da ben sei subdetectors, con una complessità che ha poco da invidiare alle strumentazioni dell’LHC. A causa di questa complessità ha bisogno di un sistema di suppporto energetico e anche fisico, non indifferente. Per questo, AMS verrà montato sull’International Space Station (ISS), la stazione spaziale in orbita attorno alla terra e gestita da una comunità altamente internazionale. Il lancio previsto per AMS è il 19 Aprile 2011, a bordo dell’ultimo volo previsto per il progetto Space Shuttle, che verrà effettuato con l’Endeavour, con la missione STS-134. Vi terrò sicuramente aggiornati a riguardo!

Nel frattempo vediamo quali sono gli scopi scientifici del detector AMS-02. Il primo, quello più noto e con il maggiore impatto psicologico, è la misura della quantità di antimateria nell’Universo. Come infatti abbiamo avuto modo di discutere in passato, si osserva una totale asimmetria tra materia e antimateria nel nostro Universo, poiché la prima è di gran lunga la più presente.

Al momento del Big Bang, materia e antimateria (a quale delle due assegnare il prefisso anti- è del tutto indifferente) erano prodotte in quantità uguali ma, ad un certo punto, una ha prevalso sull’altra. Tutte le stelle, le nubi, i pianeti e le galassie sono oggi fatte di quella che chiamiamo materia: elettroni, protoni, neutroni e così via.

Sappiamo però dell’esistenza dei loro anti-partner: i positroni, gli antiprotoni, gli antineutroni e via dicendo. Li osserviamo però soltanto come frutto di interazioni altamente energetiche. Per esempio un fotone altamente energetico (il fotone è la particella di cui è composta la luce), può generare una coppia elettrone-positrone. In laboratorio, proprio qui al CERN, si è addirittura riusciti a creare un atomo di antimateria (anzi, 38 atomi).

Non si sono mai osservati, però, anti-atomi liberi nell’Universo. Tutti gli atomi che conosciamo, tutti gli elementi della famosa Tavola Periodica, sono stati creati in un modo ben preciso: la nucleosintesi. La prima nucleosintesi è avvenuta durante il Big Bang, in cui si sono creati prima protoni e neutroni (i due mattoni costituenti il nucleo atomico) e in seguito queste due particelle si sono legate assieme per formare nuclei più pesanti: idrogeno, elio, litio, fino al berillio (che è composto da 7 particelle).

I nuclei più complessi sono creati dalla nucleosintesi stellare. La fusione nucleare che dà vita alla stella forma, tra altri, i nuclei di carbonio, ossigeno e azoto (nel ciclo CNO), e durante l’esplosione di una supernova, si formano nuclei pesanti, come il ferro. Se, per ipotesi, si misurasse un nucleo di anti-ferro nello spazio aperto, ciò vorrebbe dire che si è verificata una sintesi di antinuclei, ovvero che, da qualche parte, c’è una anti-stella.

Questa sarebbe chiaramente una scoperta incredibile (ma molto improbabile). Senza andare a scomodare anti-ferro, misurare nuclei di anti-idrogeno potrebbe aiutarci a mettere luce su una delle parti più oscure della nostra conoscenza dell’Universo. E, parlando di oscurità, arriviamo ad un altro degli scopi scientifici di AMS. Misurando lo spettro (ovvero la distribuzione energetica) di particelle come elettroni, positroni e fotoni si possono trarre conclusioni sulla quantità e sulla distribuzione di materia oscura nella nostra Galassia e, possibilmente, anche comprenderne l’origine e la composizione.

Ma AMS non si limita a studiare e a cercare di rivelare componenti così esotiche del nostro Universo, come l’antimateria o la materia oscura. Essendo un “ordinario” rivelatore di particelle, ci permetterà di studiare approfonditamente la composizione dei raggi cosmici, o di studiare la radiazione gamma ad alta energia, come per esempio i Gamma Ray Bursts.

Ma di questo, e di molto altro, vi parlerò nelle prossime puntate! :-)

28 Commenti »

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  • # 1
    arkanoid
     scrive: 

    ammesso e non concesso che la teoria spieghi correttamente i risultati degli esperimenti (l’esistenza dell’antimateria), toglimi un dubbio: l’antimateria si sa per quanto “spazio” può propagarsi senza decadere in qualche modo?
    Te lo chiedo perchè leggendo l’articolo ho immaginato che possano esistere nello spazio intergalattico galassie composte di antimateria che sono lì belle tranquille ma che non possiamo vedere perchè l’informazione che da esse proviene “degrada” in qualche modo prima di raggiungerci.

  • # 2
    Cipo
     scrive: 

    Bentornata :)

    @arkanoid

    l’antimateria è “simmetrica” alla materia ordinaria: è ugualmente stabile, ha solo segno opposto; La frase “a quale delle due assegnare il prefisso anti- è del tutto indifferente” imho accennava a questo ;). Decade per annichilazione con la materia “normale”.

  • # 3
    Cipo
     scrive: 

    con “segno” intendevo -carica elettrica- :F

  • # 4
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Esatto, cipo ha detto bene.
    Per quanto riguarda avere una galassia di antimateria a se stante, è, teoricamente, possiblile. È però estremamente improbabile che tanta antimateria sia riuscita ad aggregarsi addirittura in un’intera galassia, senza incontrare della materia ordinaria con cui annichilire. L’idea dell’esperimento è proprio cercare di capire se ci può essere, da qualche parte dell’universo, un agglomerato di antimateria che sia riuscito a sopravvivere alla “prevaricazione” della materia…

  • # 5
    Mauro
     scrive: 

    Queste cose mi affascinano tantissimo ma (purtroppo) non ne so molto anche se leggo spesso articoli che ne trattano.
    Faccio un qualche domanda per capire meglio, anche se probabilmente sto dicendo cose senza senso.

    Dopo il BigBang si ipotizza che antimateria e materia fossero distribuite in parti eguali: ma questa ipotesi è basata su fatti e/o simulazioni o solo perchè altrimenti non ci si spiegherebbe questa differenza?

    Ok, ipotizziamo che fossero egualmente distribuite.
    Per verificare la presenza di antimateria nell’universo si cercano degli antifotoni? Se noi siamo in una galassia di materia è possibile che una di antimateria (emettendo antifotoni) ci risulti pressochè invisibile perchè i sui antifotoni si annichiliscono con i nostri fotoni?

    In ultima: è possibile che un campo magnetico -o qualcosaltro- che interagisce con materia ed antimateria abbia contribuito a separarle prima che si annichilissero, generando regioni di materia e regioni di antimateria? In questa maniera si spiegherebbe perchè da noi c’è poca antimateria.

    Grazie delle eventuali risposte.

  • # 6
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Ciao Mauro,
    si ritiene che la materia e antimateria siano state create in egual misura perché non c’è nessun processo che, di per se, favorisca una rispetto all’altra. Per cui il Big Bang non avrebbe avuto ragione (o modo) di creare più materia che antimateria…

    I fotoni coincidono con la propria antiparticella. Di conseguenza non esistono antifotoni, per cui non vi è annichilazione (che, poi darebbe luogo a fotoni… quindi non avrebbe senso).

    Materia e antimateria differiscono per la propria carica magnetica, ma possono entrambe essere positive o negative. Gli elettroni, infatti, hanno carica negativa, mentre i protoni hanno carica positiva. Ma sono entrambi “materia”. Separare materia e antimateria tramite un campo magnetico è quindi difficile.

  • # 7
    Fabio Bonomo
     scrive: 

    E’ curioso notare, come giustamente fa capire Eleonora in un passaggio dell’articolo, che nei primi istanti dell’universo materia ed antimateria fossero due facce della stessa medaglia. Per questa ragione ti chiedo, è lecito supporre che l’una sia prevalsa sull’altra perché durante la fase inflazionaria le fluttuazioni quantistiche fossero leggermente sbilanciate verso una direzione in particolore? Ci sono altre ipotesi valide? Perché altrimenti nell’ipotesi di una simmetria perfetta non si spiega come una sia prevalsa sull’altra…

    Grazie ed ancora complimenti per il lavoro al CERN! Ti invidio!!!

  • # 8
    Mauro
     scrive: 

    Grazie per le risposte però non capisco come possiamo identificare l’antimateria cercando solo nelle radiazioni elettromagnetiche (se poi è questo il modo). Cioè se le proprietà sono le medesime, se non generano “anti effetti” rispetto alla materia e se l’unica cosa visibile (ma non distinguibile a questo punto) è l’energia dell’anichelzione, come faccio a “vedere” la presenza di antimateria?
    Non intendo il sensore che cattura la particella in sè, ma il sensore che vuole identificare a distanza l’antimateria (es. zone dell’universo dove eventualmente c’è).

    Grazie ancora!

  • # 9
    c3kko
     scrive: 

    @Mauro:

    come darti torto.. queste cose hanno sempre affascinato anche me, sebbene sia piu la voglia di rispondere all'(eterna?) e universale domanda. PERCHE’.

    In effetti al “tempo 0″ del big bang tutto potrebbe essere partito da un gigantesco buco nero..
    Esplosione, caos.. e separazione di antimateria da materia per fluttuazioni quantistiche casuali. La radiazione cosmica di fondo sarebbe il risultato delle continue annichilazioni che si verificano sul confine di questi due mondi antagonisti, costruiti su chissà quale approssimazione geometrica (euclidea approssima l’iperbolica.. e l’iperbolica che cosa approssima?)

    il PERCHE è l’ossessione e il paradosso.
    Trovassi risposta, dovrei chiedermi subito dopo il motivo per cui mi pongo tali domande.

  • # 10
    il fughi
     scrive: 

    per quanto ne sappiamo (vale a dire poco in generale e quasi niente nel mio caso specifico) può anche essere che se materia e antimateria si sono divisi nei primi istanti del big bang (ovverosia quando la nostra fisica non è applicabile) possono aver dato vita a due universi distinti.
    Ovviamente probabilmente dico corbellerie…

  • # 11
    Adriano
     scrive: 

    Beh ma la predominanza della materia sull’ antimateria nell’ universo osservabile non è una conseguenza dell’ assimetria della forza debole ?

  • # 12
    arkanoid
     scrive: 

    @eleonora

    Ci sono prove di ciò oppure solo teoria? Osservare fenomeni in un rivelatore posso immaginare (a torto o a ragione, non so) che porti a vedere fenomeni che in natura non si osservano, come non credo sia possibile osservare quark in natura senza ficcare l’occhio dove si fanno collidere particelle ad alta energia.
    Mi sembra di ricordare che la maggior parte della massa dell’universo, perchè i modelli siano coerenti con l’osservazione, manca. E questa è chiamata materia oscura.
    Che sia solo polvere interstellare tanto fredda da non emettere nulla non lo credo.
    L’assunto che non ci sia antimateria nell’universo mi sembra pertanto partire dal fatto che non la vediamo. Prima non intendevo parlare di altri universi, ma di questo (non credo nell’esistenza di “altro”).
    Tra noi e la galassia pincopallino, anche se ci fosse una galassia di materia che non emette nulla che noi possiamo vedere, difficilmente ne intuiremmo l’esistenza con metodi indiretti come può essere l’interferenza gravitazionale data la lentezza delle galassie.
    Se, ad esempio, i fotoni e gli antifotoni, che mi dici non esistere (tanto questa è chiaro che è una speculazione) si annichilano reciprocamente, qualsiasi segnale elettromagnetico proveniente da una antigalassia non sarebbe visibile ad una galassia, e viceversa.
    O anche l’esistenza di altri campi oltre a quello elettromagnetico e gravitazionale che possano precludere gli spazi da un dominio quando è già presente l’altro.

  • # 13
    goldorak
     scrive: 

    @ Mauro : puntano il sensore verso una regione dello spazio e misurano lo spettro della radiazione. Lo spettro ti dice come varia il flusso luminoso (flusso elettromagnetico) in funzione della lunghezza d’onda. Le reazioni di annichilazione tra particelle ed antiparticelle, per esempio elettroni e positroni danno luogo a fotoni con una determinata lunghezza d’onda. E caratteristica di questo tipo di reazioni. Analizzando lo spettro si riescono a mettere in evidenza dei picchi (righe di emissione) e a farne la correlazione con il tipo di reazione che li ha prodotti.
    Il principo e’ quello della spettroscopia ma applicata ai raggi gamma e raggi x.

    Chiediti come si fa a sapere di quali elementi chimici e’ composto il solo o in generale le stelle. Si analizza lo spettro e si correlano le righe in emissione (o le righe in absorzione) con le righe spettrali prodotti da vari elementi chimici standard. Quando trovi una corrispondenza sai che quel determinato elemento chimico si trova nella sorgente di cui stai analizzando la luce.

  • # 14
    goldorak
     scrive: 

    @ arkanoid : la massa oscura rappresenta una minima parte della massa delll’univero. Insieme alla massa visibile ammontano a non piu’ del 30 %. Il resto e’ energia oscura. Il vero puzzle e’ la natura di questa energia che e’ all’orgine dell’espansione accelerata dell’universo. E si l’universo non finira’ la sua vita in un big crunch bensi continuera’ ad espandersi a ritmi via via piu’ rapidi fino alla sua morte termica.

    L’antifontone e’ il fotone. Questa non e’ una speculazione e’ un dato di fatto. Ci sono particelle in natura che sono le loro stesse antiparticelle. Il fotone e’ una di queste. Quindi non ha senso parlare di antifotone.

  • # 15
    compass
     scrive: 

    @Mauro.
    A distanza, non è possibile distinguere tra materia ed antimateria.
    Ma è possibile capire se una particella che è stata osservata dal rivelatore (che lo ha colpito) è di materia o di antimateria. E questo, oltre all’analisi dello spettro che veniva prima ricordata, è quello che AMS dovrà fare.

    @arkanoid.
    Posso chiederti cosa significa questa tua frase?
    \Osservare fenomeni in un rivelatore posso immaginare (a torto o a ragione, non so) che porti a vedere fenomeni che in natura non si osservano\ .
    Se li osservi, allora esistono in natura.
    Se non li osservi, puoi fare delle ipotesi, delle speculazioni, ma che devono essere confermate dall’osservazione.
    Altrimenti, senza dati sperimentali che confermino o confutino le tue ipotesi, non puoi elaborare una teoria completa.

    \la maggior parte della massa dell’universo, perchè i modelli siano coerenti con l’osservazione, manca. E questa è chiamata materia oscura.\
    No. La massa non manca, perché se ne osservano gli effetti gravitazionali. Però, per giustificare questi effetti, la massa visibile non è sufficiente, e quindi si sono introdotti i concetti di massa oscura e di energia oscura.
    La presenza di polvere fredda potrebbe comunque essere osservata, perché assorbirebbe la luce di galassie che le sono oltre.

    \…data la lentezza delle galassie\
    Che cosa vuoi dire?
    Le galassie vicine si muovono a centinaia di kilometri al secondo.
    Quelle lontane, si allontanano tra loro a velocità che sono frazioni significative della velocità della luce.

    Se tra noi ed un’altra galassia che vogliamo osservare, ce ne fosse una terza che non osserviamo direttamente, ne osserveremmo l’effetto che provoca sulla luce della galassia remota: si chiama lente gravitazionale, ed è normalmente osservato ed utilizzato per studiare le galassie più lontane.

    \…i fotoni e gli antifotoni, che mi dici non esistere (tanto questa è chiaro che è una speculazione)…\
    Non è affatto una speculazione, ma risultato di osservazioni e di corrispondenti teorie, come ti ha già detto goldorak.

    @goldorak.
    La materia osservabile viene stimata al 4-5% del totale massa+energia dell’universo; la materia oscura tra il 25-30%. Il resto e l’energia oscura che dici.

  • # 16
    arkanoid
     scrive: 

    sono stato frainteso: la mia è una speculazione ;)
    In natura=senza crearli in laboratorio. Sono masi stati osservati quark liberi?
    La lente gravitazionale si usa per “ingrandire”, passatemi il termine, l’immagine di oggetti dietro la massa, non per misure di velocità. Dubito fortemente che si riesca ad accorgersi della presenza di galassie senza vederle in nessuno spettro, ci si accorge degli influssi gravitazionali quando le galassie mostrano segni di deformazione, ma aspetto un parere qualificato su questo.
    Ora che ho chiarito che speculativo era il mio intervento penso che si possa inquadrare come tale. Sono scettico sulla definizione di “oscuro” riguardo energia e materia “mancanti”. Pur propendendo sempre per un errore nel modello standard, ogni tanto mi viene in mente che capita che non si veda una cosa perchè ci si ostina a cercarla dove non c’è.

  • # 17
    Anonymous
     scrive: 

    Bentornata Eleonora, finalmente un po’ di futuro su AD!
    Congratulazioni per il nuovo incarico, anche io nella mia scarsa comprensione di questo argomento guardo con molte aspettative al lancio dello Shuttle che porterà AMS-02 sulla ISS, peccato che il supermagnete non ce l’abbia fatta ad essere a bordo.

  • # 18
    goldorak
     scrive: 

    @ arkanoid : materia oscura ed energia oscura sono termini convenzionali. Li puoi chiamare come ti pare, alfa e beta, qui e quo, pluto e minnie, giovanni e giacomo, etc… Ma ovviamente bisogna dare un nome a questi concetti se vuoi poterne parlare in modo standardizzato.
    Non si sa quale sia la natura della materia oscura, ne’ tantomeno dell’energia oscura. Magari la materia oscura e’ materia normale che pero’ non e’ visibile con gli strumenti moderni. Forse occoreranno strumenti con sensibilita’ e risoluzioni molto maggiori. Se si rivela materia barionica non ce’ alcun errore nel modello standard. Se invece non e’ cosi’, bisognera’ rivedere un po’ di cose. Ma fasciarsi la testa prima di essersela rotta e’ altamente controproducente.
    Sull’energia oscura invece siamo di fronte ad un problema di fondo. Come spiegare l’esistenza di una forza repulsiva su scala cosmica ? E sopratutto quale e’ la sua origine ?

  • # 19
    Adriano
     scrive: 

    I candidati più probabili per la materia oscura sono le cosidette WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) in pratica delle partcelle che interagiscono solo con la forza debole e la gravità dotate di grande massa (per una particella)… dei neutrini ciccioni insomma !

    C’era un bell’ articolo sul penultimo Le Scienze….

  • # 20
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @ Mauro
    Il modo di rivelare l’antimateria è diretto: una particella, che ha viaggiato lungo la galassia, entra nel nostro detector. Si può ricostruirne energia, massa e carica elettrica. In questo modo si riesce ad identificare la particella e capire se è particella o anti-particella.

    @Anonymus

    Vero, con il magnete superconduttore sarebbe stata una esperienza unica, ma il magnete permanente ha ben poco da invidiare. Le energie massime rivelabili saranno un po’inferiori, ma credo che la fisica si rivelerà di grande interesse!

  • # 21
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @Adriano
    Le wimp non sono da confondere coi neutrini… anche se la wimp di maggior successo ha un nome molto simile, il neutralino. Ci sono però anche altri possibili candidati per la materia oscura… assioni, neutrini sterili, particelle di kaluza klein…..

  • # 22
    Piliforme
     scrive: 

    E’ possibile che l’antimateria rilevabile nell’universo sia assai poca perchè nei momenti della formazione di materia e antimateria quest’ultima sia stata traslata nel tempo rispetto alla materia di quel tanto che basta per sfuggire alle nostre rilevazioni odierne. E di quel tanto che basta per permettere all’universo di avere un senso e un’esistenza. Se materia e antimateria si fossero trovate in eccessiva prossimità fisica e temporale si sarebbero annichilite in breve tempo creando un oggetto o una singolarità nuda in continua pulsazione (“false partenze”) e nulla più. Uno spostamento nel tempo dell’una rispetto all’altra in avanti o all’indietro consentirebbe la coesistenza di materia e antimateria in quantità uguali, come due binari paralleli che ignorino l’uno l’esistenza dell’altro, o quasi, nello stesso universo o in più universi.
    Speculazioni!

  • # 23
    goldorak
     scrive: 

    @ Piliforme : ma che speculazioni. Sono sciocchezze, idiozie, stupidaggini. Quello che hai scritto non significa niente.
    E delirante vedere interventi del genere in una dicusssione di divulgazione scientifica. Se va avanti cosi’, togliamo il riferimento scientifico e parliamo di tutto e niente.

  • # 24
    Piliforme
     scrive: 

    Sì hai ragione, sono idiozie. D’ora in poi prenderò come riferimento i tuoi sproloqui, certamente fondati su inequivocabilmente esatti assiomi matematico-ficici che meritano tutto il rispetto e la deferenza della comunità scientifica e che tanto lustro portano in questo blog.
    Respect!

  • # 25
    Davide Costantini
     scrive: 

    Complimenti per il nuovo incarico Eleonora. Un mio carissimo amico che è ricercatore all’Università degli Studi di Perugia (Nicola Tomassetti) lavora da alcuni anni sui dati del primo AMS. Per cui conoscevo già l’esperimento. Sono molto curioso (da profano appassionato) di vedere come si comporterà una volta mandato nello spazio, considerando che sarà notevolmente più potente di PAMELA.

  • # 26
    homero
     scrive: 

    resto affascinato dalla materia degli articoli e faccio i complimenti alla redattrice per il traguardo raggiunto, per quello che è la mia conoscenza resto impotente di fronte alla dimensione cosmica della conoscenza.

  • # 27
    ibxxx
     scrive: 

    argomento molto affascinante… da come la vedo io, nonostante in questi anni si siano fatti passi da gigante in campi quali la fisica delle alte energie e cosmologia. La ricerca di energie oscure, il fatto che conosciamo solo il 4% della composizione dell’universo ( e forse non è neanche così), discussioni sul valore delle “candele standard” come le “sn Ia” e altro… bè secondo me quando si va oltre lo studio di quello che c’è nella nostra galassia si entra nel campo della fantascienza… Soprattutto in cosmologia… e se qualcuno non la pensa così…. ci sentiremo tra cento anni…

  • # 28
    Roberto
     scrive: 

    Tanti cari auguri Eleonora, e’ un piacere sapere di questo tuo nuovo incarico!

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