L’osservazione dello spettro degli antiprotoni dei raggi cosmici per un intero ciclo solare rappresenta una pietra miliare nella nostra comprensione di queste particelle ad alta energia. Questa misurazione prolungata offre agli scienziati una visione senza precedenti delle fonti e dei meccanismi di trasporto che influenzano gli antiprotoni.
La possibilità di studiare l’evoluzione dello spettro degli antiprotoni nel corso di un intero ciclo solare apre nuove frontiere nella ricerca sui raggi cosmici e offre promettenti opportunità per svelare i misteri dell’Universo.
L’eliosfera, un laboratorio naturale per lo studio delle particelle cosmiche
L’eliosfera, la vasta regione di spazio che circonda il Sole e si estende per circa 122 unità astronomiche, è un ambiente dinamico e ricco di particelle energetiche. Queste particelle, che variano per energia e origine, offrono agli scienziati un’opportunità unica per studiare fenomeni astrofisici complessi e sondare i misteri dell’Universo.
L’eliosfera, vasta regione di Spazio che avvolge il Sole, è un vero e proprio crocevia di particelle di diversa origine ed energia. Tra queste, troviamo le particelle energetiche solari, rilasciate dal Sole durante eruzioni e altri fenomeni attivi. Queste particelle sono caratterizzate da bassa energia e sono strettamente legate all’attività solare.
Un altro tipo di particelle in essa presenti sono gli elettroni di Giove, provenienti dalla magnetosfera del gigante gassoso. La loro presenza testimonia l’influenza dei pianeti sull’ambiente particellare dello Spazio e offre agli scienziati l’opportunità di studiare l’interazione tra i corpi celesti e il plasma che li circonda.
L’eliosfera è attraversata dai raggi cosmici galattici (GCR), particelle ad alta energia provenienti dall’esterno del Sistema Solare. Composti principalmente da protoni ed elettroni, i GCR coprono un ampio spettro di energie, dai mega-elettronvolt agli exa-elettronvolt. La loro origine è ancora oggetto di studio, ma si ritiene che siano accelerati da fenomeni cosmici violenti come le supernove.
L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un rilevatore di particelle a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, ha condotto una misurazione a lungo termine di un particolare tipo di GCR: gli antiprotoni. Gli antiprotoni sono l’antiparticella dei protoni e la loro presenza nei raggi cosmici galattici è un argomento di grande interesse per gli scienziati.
I GCR sono accelerati alle loro alte energie attraverso vari processi astrofisici. Le fonti più probabili di queste particelle all’interno della nostra galassia sono i resti di supernova, le potenti esplosioni che segnano la fine della vita di alcune stelle. Tuttavia, si prevede che i GCR ad energia ancora più elevata abbiano un’origine extragalattica, provenendo da regioni cosmiche lontane.
Misurazioni dettagliate delle intensità dei GCR possono fornire preziose informazioni sulla fisica fondamentale in regioni cosmiche distanti. Queste misurazioni potrebbero anche fornire indizi su nuova fisica. Ad esempio, alcuni antiprotoni dei GCR potrebbero essere prodotti a causa dell’annientamento della materia oscura, una forma di materia invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell’universo. Un aumento dell’intensità del flusso di antiprotoni dei GCR a energie specifiche potrebbe essere un segno distintivo di questo fenomeno.
I segnali dei raggi cosmici galattici (GCR) sono estremamente difficili da isolare a causa delle complesse interazioni che queste particelle subiscono mentre attraversano l’eliosfera, la regione di spazio che circonda il Sole. Innanzitutto, i GCR sono soggetti a dispersione a causa delle fluttuazioni turbolenti del campo magnetico eliosferico (HMF). Queste fluttuazioni, come delle vere e proprie “onde” magnetiche, deviano le particelle GCR in modo casuale, rendendo difficile tracciare la loro origine e direzione iniziale. Questo fenomeno è noto come propagazione diffusiva.
il campo magnetico eliosferico (HMF) influenza il moto delle particelle GCR attraverso un processo chiamato deriva. La direzione di questa deriva dipende dalla carica elettrica della particella: particelle con carica positiva e negativa si muovono in direzioni opposte.
A complicare ulteriormente la situazione, il campo magnetico eliosferico (HMF) non è statico, ma varia nel tempo. La sua intensità aumenta e diminuisce con il ciclo di attività solare di 11 anni, mentre la sua polarità si inverte con un ciclo di 22 anni.
Queste variazioni influenzano il modo in cui i GCR si muovono attraverso l’eliosfera. Durante i periodi di polarità positiva del campo magnetico eliosferico (HMF), i GCR con carica positiva tendono a spostarsi verso il Sole dalle regioni polari e si allontanano da esso lungo una regione specifica chiamata “foglio di corrente eliosferica”. Durante i periodi di polarità negativa, queste direzioni si invertono.
Allo stesso modo, le particelle con carica negativa, come elettroni e antiprotoni, derivano in direzione opposta rispetto alle particelle con carica positiva (come protoni e positroni) per un dato ciclo di polarità.
Antiprotoni cosmici: una finestra sull’Universo Primordiale e i suoi misteri
I fenomeni di diffusione, deriva e altri processi di trasporto si combinano per attenuare l’intensità dei raggi cosmici galattici (GCR) mentre attraversano l’eliosfera. Di conseguenza, lo spettro di intensità di queste particelle osservato vicino alla Terra risulta “modulato” rispetto allo spettro interstellare locale, che potrebbe contenere segnali di nuova fisica, come ad esempio l’annientamento della materia oscura.
La modulazione dei GCR, dipendente dal tempo e dalla carica, è un fenomeno noto fin dagli anni ’50, quando i ricercatori iniziarono a studiare i neutroni secondari prodotti dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre. L’intensità varia in base al ciclo solare di 11 anni, raggiungendo il picco durante i minimi solari e diminuendo durante i massimi solari. Questo effetto è particolarmente evidente per le particelle a bassa energia.
I picchi di intensità osservati durante i minimi solari riflettono anche il ciclo di polarità magnetica di 22 anni del Sole: un picco di intensità elevata è seguito da uno più debole, e così via. Comprendere appieno gli effetti di modulazione eliosferica è fondamentale per poter ricavare informazioni sulla nuova fisica dalle osservazioni dei GCR. Questo obiettivo può essere raggiunto solo attraverso una modellazione numerica accurata e un confronto dettagliato dei risultati ottenuti con le osservazioni di diverse specie di GCR.
L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer a fornito nuove, importanti informazioni sulla modulazione dei raggi cosmici galattici (GCR), rivelando l’intensità degli antiprotoni su periodi di 27 giorni durante un intero ciclo solare di 11 anni. Questa è una grande conquista, poiché, data la rarità degli antiprotoni rispetto ai protoni, gli studi precedenti potevano ottenere spettri di intensità di antiprotoni solo mediati su diversi anni.
Inoltre, queste nuove osservazioni sono state effettuate contemporaneamente ad osservazioni delle intensità di altri componenti dei GCR: protoni, elettroni e positroni. Questa combinazione di dati consente confronti diretti tra i profili di intensità dipendenti dal tempo e dall’energia delle particelle e delle loro antiparticelle.
I risultati mostrano un profilo di intensità degli antiprotoni nel tempo qualitativamente simile a quello previsto dagli studi di modulazione dei GCR, con effetti di deriva e modulazione che diventano meno significativi a energie di particelle più elevate.
Queste informazioni permetteranno ai ricercatori di effettuare confronti quantitativi tra le previsioni dei modelli e le osservazioni dei veicoli spaziali, fornendo potenzialmente preziose informazioni sui processi di trasporto subiti da queste particelle. La modellazione simultanea delle intensità di protoni e antiprotoni con carica opposta consentirebbe, ad esempio, studi dettagliati dell’interazione tra la diffusione dei GCR nell’eliosfera, un meccanismo che predomina durante il massimo solare, e gli effetti di deriva, che giocano un ruolo più importante durante il minimo solare.
Conclusioni
Ora è anche possibile effettuare studi comparativi sui coefficienti che regolano la diffusione dello spettro degli antiprotoni cosmici, con grandi benefici per la comunità del trasporto di particelle.
Una comprensione più profonda di come i processi di trasporto modulano lo spettro dei GCR contribuirà notevolmente a consentire ai ricercatori di distinguere gli effetti di modulazione indotti dal sole da altri contributi agli spettri acquisiti. Questa separazione potrebbe aiutare nella ricerca di segnali sottili di nuova fisica, inclusi gli effetti correlati alla materia oscura.
