Pamela, la materia resta oscura

L'informazione scientifica internazionale ha rilanciato, alla fine di marzo, un articolo pubblicato da Nature a firma del gruppo di ricercatori dell'esperimento Pamela. I giornalisti di tutto il mondo hanno suggerito che si fosse vista la "firma" della materia oscura. Ma che cosa ha visto davvero l'esperimento Pamela? Per spiegarlo dal mio punto di vista ho bisogno di prendere una rincorsa nella storia della fisica.

La fisica delle particelle elementari è nata, e si è poi sviluppata per anni, con lo studio dei raggi cosmici. Il positrone, il muone, il pione  e  particelle con il numero quantico di stranezza sono state scoperte  direttamente nei raggi cosmici o nei prodotti della loro  interazione con un bersaglio.

Nei primi anni 50  l'avvento dei nuovi acceleratori in grado  di produrre in laboratorio queste particelle determinò la fine  di questo campo di ricerca.

Le cose cambiarono in modo rilevante nel 1979, quando Robert Golden della New Mexico State University  e Edward Bogomolov del Ioffe Institute, con due differenti apparati portati ad alta quota da un   pallone stratosferico, rivelarono antiprotoni in numero molto maggiore di quanto atteso nella collisione  fra i raggi cosmici di alta energia e la materia che essi incontrano nel loro vagare nello spazio. Da dove venivano questi antiprotoni?  Da regioni estese di antimateria, spia di un universo simmetrico tra  materia ed antimateria, separate fra loro da grandi spazi, da evaporazione di buchi neri che si sono formati nei primi istanti dell'Universo, o da annichilazione di particelle esotiche?  La fisica delle particelle elementari era tornata nello spazio, era nata la fisica di PAMELA.  Molti esperimenti su pallone seguirono queste prime misure pionieristiche, ma anche se i primi dati non furono confermati, una nuova via alla conoscenza dei misteri dell'Universo era stata aperta. Nel frattempo la cosmologia aveva chiaramente individuato l'esistenza di una nuova forma di materia, la materia oscura.  Sebbene la presenza  della materia oscura fosse accettata dalla grande maggioranza della comunità scientifica, completamente oscura era ed è la sua natura. Molte teorie descrivono questa materia come composta di particelle che sono una combinazione di particelle supersimmetriche, cioè di quelle particelle che sono "partner"  della materia che conosciamo, ma che appartengono allo sconosciuto mondo della supersimmetria. Queste particelle, incontrandosi, si possono annichilare producendo positroni, antiprotoni, raggi gamma, neutrini. I dati forniti dagli esperimenti su pallone erano troppo scarsi ed imprecisi per permettere verifiche serie delle varie teorie.

Per cercare di penetrare in questo mistero e fare un po' di luce, un gruppo di ricercatori italiani , svedesi e tedeschi, che partecipavano attivamente alle ricerche di antimateria e di segnali di ,materia oscura con  esperimenti su pallone, lanciarono un programma di ricerca nello spazio nel quadro di una collaborazione con scienziati russi e con l'Agenzia Spaziale Russa.   Sotto la guida dell'INFN (Istituto Nazionale di  Fisica Nucleare),  un insieme di istituti di ricerca preparò sofisticati rivelatori di particelle che furono integrati  presso la Sezione INFN ed il Dipartimento di Fisica dell'Università di Roma Tor Vergata, formando lo strumento PAMELA.  L'apparato fu poi installato a bordo del satellite russo Resurs DK1 e messo in orbita da una Soyuz il 15 Giugno del 206. Da allora invia ogni giorno a terra 16 Gigabyte  di dati.
Il cuore dello strumento è costituito da uno spettrometro magnetico che permette di separare le particelle di materia da quelle di antimateria. Un insieme di altri rivelatori permette di riconoscere il tipo di particelle rivelate e la loro direzione di arrivo.

Questo strumento è in grado di ricercare nuclei di antimateria nello spazio, segnali di materia oscura, nuovi tipi di  particelle esotiche, studiare i meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici nella galassia, seguire giornalmente l'attività del sole e controllare gli effetti che questa ha sui raggi cosmici.

In circa tre anni sono stati raccolti ed analizzarti più di un miliardo di eventi. Le risposte ottenute sembrano essere fra loro contrastanti.  Mentre i positroni, rivelati in numero molto maggiore alle attese, appaiono indicare la presenza di materia oscura,  l'assenza di ogni chiara distorsione negli spettri degli antiprotoni  mette fuori gioco molti dei più accreditati modelli che descrivono la natura della materia oscura. Oltre 150 lavori di interpretazione dei dati di PAMELA sono stati pubblicati in circa tre mesi. Ogni congettura è stata analizzata e confrontata con i dati. Attualmente, accanto alla affascinante ipotesi che la materia oscura si possa essere finalmente rivelata tramite questo eccesso di antimateria, altri possibili contributi vengono presi in seria considerazione. Le pulsar, stelle di neutroni ruotanti ad alta velocità e dotate di un potente campo magnetico, possono,  tramite una serie di processi secondari,  produrre ed accelerare  coppie di elettroni e positroni e contribuire così  all'eccesso di positroni rilevato da PAMELA.

E' ancora presto per poter decifrare questo enigma. Una soluzione sarà quasi certamente  trovata  confrontando  i  dati di PAMELA con quelli che verranno  dalla missione FERMI  che  rivela  i raggi gamma nello spazio,  dagli apparati sottomarini o sotto il ghiaccio ora in preparazione per la rivelazione dei neutrini dallo spazio, e dalle ricerche di materia oscura nei laboratori sotterranei. Infine il cerchio si  chiuderà definitivamente se la particella di materia oscura ipotizzata dai dati di PAMELA venisse prodotta e rivelata  al nuovo acceleratore LHC.

Se l'ipotesi di materia oscura fosse verificata, si aprirebbe un  nuovo grande campo nella fisica delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali, quello della supersimmetria. Se il segnale venisse dalle pulsar, sarebbe l'Astrofisica a riceverne un grande vantaggio.

Il lancio di PAMELA (http://pamela.roma2.infn.it/index.php)

Dov'è ora PAMELA? Qui: http://www.n2yo.com/?s=29228

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