AMS-02, l’Italia al CERN per comprendere le origini dell’universo

Due ricercatori italiani, Elisa Laudi e Davide Rozza, ci spiegano come funziona l’Alpha Magnetic Spectrometer il cui POCC, coordinato dal premio Nobel Samuel Chao Chung Ting, è situato al CERN.

Nel grande complesso del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), trova spazio anche il POCC (Payload Operation Control Center) dell’esperimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) che, dal 2011, lavora a bordo della ISS. Quello al CERN è una copia esatta del POCC del Johnson Space Center di Houston, una richiesta esigente del premio Nobel Samuel Chao Chung Ting che attualmente lo coordina. Ma cos’è AMS-02? Come funziona e quali sono i suoi obiettivi scientifici? Lo chiediamo ad Elisa Laudi, una giovane e brillante ingegnere dei materiali che prese parte all’assemblaggio e al lancio; Elisa, che attualmente è impiegata nel gruppo di integrazione meccanica dell’esperimento ALICE, ci da appuntamento al Globe of Science and Innovation di Ginevra, un’imponente visitor-center sferico alto 27 metri per 40 metri di diametro (quasi le stesse dimensioni della cupola di San Pietro a Roma).

Elisa ci parli di lei e della tua esperienza qui al CERN.

“Lavoro al CERN da sette anni. A questo progetto ho iniziato a lavorarci nel 2006, occupandomi del sistema di raffreddamento bifase del tracciatore al silicio. Il sistema, progettato in Olanda, in collaborazione con l’INFN di Perugia e l’Università di Terni, mi ha permesso di poter seguire tutta la costruzione, iniziata in Taiwan e conclusa in Cina, compresa la fase di assemblaggio avvenuta qui al CERN nel 2009. Poi mi sono occupata del controllo delle performance termiche di tutto il rilevatore AMS, ed in particolare del sistema di raffreddamento del tracciatore, partecipando al test di termo-vuoto eseguito all’ESA, nel LSS di ESTEC. Dopo sono entrata a far parte del team di integrazione di AMS  occupandomi sia della qualità che delle attività di integrazione meccanica, che ho continuato a seguire al NASA Kennedy Space Center in Florida, per tutta la launch campain fino al momento dell’istallazione sulla Stazione Spaziale, avvenuta nel maggio del 2011. Attualmente invece sono impegnata nel gruppo di integrazione meccanica dell’Esperimento ALICE; mi occupo sia del sistema di raffreddamento che della realizzazione delle strutture meccaniche di supporto dei sensori al silicio, per l’upgrade del detector più centrale, il tracciatore ITS (Inner tracking System).”

Cos’è l’Alpha Magnetic Spectrometer?

“L’AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer, è un rivelatore di particelle spaziale che si basa su un magnete permanente progettato per operare all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale. Consiste in un cubo di 3 metri per 3 metri con un peso totale di 8 tonnellate”

Qual è il compito di AMS-02?

“Il suo scopo è quello di studiare la composizione dei raggi cosmici primari esplorando nuove frontiere nel campo della fisica delle particelle, alla ricerca di tracce dell’antimateria di origine cosmica  e della vera natura della materia oscura. Come tutti i detector di particelle , AMS è costituito da vari sotto-rilevatori, ognuno dei quali ha lo scopo di osservare e identificare le proprietà delle particelle che lo attraversano”.

Quale pensi sarà il futuro di questo esperimento?

“Difficile dirlo, sono tutti piuttosto cauti. Probabilmente si tratterà di una macchina indipendente, controllata da terra, che andrà nello spazio dopo la fine della Stazione Spaziale, prevista per il 2024” – conclude Elisa.

Per capire come sta andando l’esperimento e a che punto stiamo con le scoperte, facciamo qualche domanda a Davide Rozza, un assegnista di ricerca dell’Università degli Studi di Milano Bicocca, attualmente impegnato al POCC di AMS-02 nella sede del CERN.

“Il mio ruolo all’interno di AMS è studiare gli effetti del campo magnetico terrestre e dell’attività solare sui raggi cosmici. Tale influenza è tanto maggiore quanto minore è la loro energia. Mi occupo, inoltre, dell’interpretazione dei dati di elettroni e positroni ad alta energia. Questo perché le teorie attuali, che prevedono i meccanismi di produzione di antimateria negli scontri tra i raggi cosmici, sono in disaccordo con i dati sperimentali, pertanto abbiamo bisogno di nuove sorgenti (astrofisiche o materia oscura) che aiutino nell’interpretazione dei dati: da qui la creazione di AMS-02. L’attività al CERN riguarda, oltre che gli aggiornamenti sullo stato del lavoro, anche il controllo dell’acquisizione dati facendo shift (turni) nella sala di AMS-02 POCC” – ci spiega Davide.

Come funziona AMS-02?

“AMS osserva in modo diretto antimateria e in modo indiretto materia oscura, questo per i seguenti motivi; per osservare in modo diretto l’antimateria, il magnete e i vari sotto-rivelatori di AMS fanno in modo di separare materia da antimateria, in questo modo si sono osservati antielettroni e antiprotoni. In linea di principio AMS può vedere tutta l’antimateria (con gli stessi limiti imposti sulla materia ad esempio ricostruzione carica fino al ferro ecc.), quindi potremmo anche riconoscere un nucleo di anti-elio. L’anti-elio (due antiprotoni e due antineutroni legati nel nucleo) è importantissimo perché non lo puoi produrre in interazioni secondarie tra raggi cosmici (come invece accade per positroni e antiprotoni), quindi vuol dire che dovrebbe essere di origine primordiale (prodotto dal big bang) e quindi l’asimmetria che vediamo noi tra materia e antimateria ( nel 5%)  (il big bang non ha motivo per aver prodotto solo materia e non antimateria, quindi in principio dovrebbe averle prodotte in ugual quantità, ma ora siamo in un universo di materia… quindi?) in realtà non c’è, siamo solo incapaci a vederla, oppure, non conosciamo ancora il processo fisico che predilige la materia e non l’antimateria. Per osservare la materia oscura, in modo indiretto, vale il principio di prima: se si trovasse dell’anti-deuterio (antiprotone legato ad antineutrone) questo potrebbe essere uno dei canali di annichilazione di particelle di materia oscura. Il fondo, dato dalla produzione di anti-deuterio da interazioni tra raggi cosmici, è anche qui molto basso, quindi se si vede qualcosa è quasi sicuro materia oscura”.

E qualora dovessimo vedere l’anti-elio?

“Avverranno due cose: un secondo Premio Nobel per Ting” – scherza, ma non troppo Davide – “mentre a noi rimarrà il fatto che potremo identificare quell’anti-elio come particelle prodotte da una possibile anti-stella che, di conseguenza, deve far parte di un anti-galassia magari solo troppo lontana da noi per vederla”.

Cosa abbiamo scoperto fino a questo momento?

“Le scoperte significative, al momento, riguardano i flussi pubblicati (protoni, antiprotoni, elio, elettroni, positroni). Nessun esperimento, prima del nostro, è riuscito a misurare il flusso dei raggi cosmici con una precisione così elevata in un ampio range energetico. A breve verranno pubblicati i flussi di altri ioni nei raggi cosmici. Scoperte inaspettate, soprattutto i cambi di pendenza nei flussi dei raggi cosmici e nei loro rapporti. Questo sta portando ad una rivisitazione dei modelli di produzione e propagazione di queste particelle nella Galassia compresi quelli riguardanti le teorie relative alla materia oscura. Infatti, è la prima volta che si passa da errori enormi sui dati, che permettevano un’interpretazione multipla da diverse teorie, a dati così precisi i cui errori sono inferiori alle incertezze sui modelli. Ma non è tutto: il fatto che AMS stia prendendo dati ininterrottamente da più di 5 anni (e continuerà a farlo finchè esisterà la Stazione Spaziale) ci permetterà di studiare in dettaglio la nostra stella, il Sole, sia su grande scala temporale (la modulazione solare il cui ciclo è di 11 anni), sia su piccola scala con lo studio dei brillamenti solari che hanno effetti diretti sulla Terra”.

A cosa ci servirà tutto questo? Quali sono le applicazioni pratiche delle ricerche svolte al CERN nella vita di tutti i giorni? Basta semplicemente osservare cosa hanno portato finora le scoperte nel campo della fisica; dallo sviluppo in campo medico con nuove terapie per malattie agli sviluppi di sistemi di immagine per applicazioni mediche ed industriali. Per fare un esempio pratico è sufficiente citare Fermilab, un laboratorio di ricerca dedicato allo studio della fisica delle particelle elementari; tale struttura gestisce un centro di terapia del cancro che ha trattato 3.000 pazienti dal 1976 ad oggi. Altro valido esempio sono i raggi X e la risonanza magnetica, nati dai rivelatori utilizzati per l’imaging delle particelle e poi ancora i risvolti nel campo dell’informatica: al CERN è nata la pagina web (World Wild Web), per condividere informazioni riguardante gli esperimenti tra scienziati internazionali. Non solo scienza, futuro e progresso dunque ma anche e soprattutto un luogo di convivenza, di confronto, di conoscenza, scientifica certo, ma anche sociale e culturale: un autentico tempio della scienza dove l’umanità si connette, accantonando rancori e diversità per migliorare la vita. Un patrimonio dell’umanità da preservare a tutti i costi.