Esperimenti ad alta quota

Trasportati da un vortice di vento, due palloni sorvolano l’Antartide. Il loro carico: strumenti che misurano le radiazioni provenienti dal cosmo. Si tratta degli esperimenti Cream (Cosmic ray energy and Mass) e Bess (Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer). Il primo, frutto della collaborazione di Stati Uniti, Corea del Sud e Italia, è stato lanciato il 16 di dicembre scorso e volerà per circa tre settimane. Il suo obiettivo è studiare i processi di accelerazione dei raggi cosmici e verificare se corrispondono a quelli previsti da una teoria formulata originariamente da Enrico Fermi. Il secondo, che coinvolge scienziati giapponesi e americani, è decollato tre giorni prima, ed è atterrato il 23 dicembre. Le sue misure serviranno a studiare la natura dell’antimateria e per verificare l’esistenza della radiazione che “evapora” dai buchi neri, prevista da Stephen Hawkings.Entrambi i palloni si sono alzati in volo nella prima metà di dicembre dalla base di McMurdo nell’Antartide. Un luogo e un tempo ideali per questo tipo di misure. Infatti, in questo periodo dell’anno sopra il continente si forma un vortice atmosferico che trascina i palloni in una traiettoria quasi circolare. In un periodo variabile fra i 10 e i 25 giorni (in base al diametro della traiettoria che si sceglie) il vento li riporta in prossimità del sito di lancio, facilitando le operazioni di ricupero. “Anche la durata del giorno, durante l’estate antartica, è molto importante”, spiega Pier Simone Marrocchesi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, responsabile di Cream, “infatti l’esperimento funziona con energia solare”. I pannelli di Cream funzionano come un girasole: puntano sempre verso la finte di energia. L’assenza di notte, inoltre, riduce l’escursione termica che potrebbe disturbare gli strumenti. Akira Yamamoto, del Kek, l’Istituto giapponese di ricerca nelle alte energie, responsabile di Bess, aggiunge: “Nell’Antartide, il campo magnetico terrestre ci protegge da alcune componenti della radiazione cosmica, che disturberebbero le misure di Bess”. Infine, conclude Marrocchesi, “l’Antartide è un posto poco abitato, quindi se si perdesse il controllo del pallone, i rischi di danni sarebbero minimi”.I due esperimenti sono diversi, ma complementari. Infatti, mentre Cream studia la radiazione cosmica di alta energia, Bess è dedicato alla componente di bassa energia. “La fisica delle particelle, ovvero dei costituenti fondamentali e indivisibili della materia, è nata dallo studio dei raggi cosmici”, spiega Marrocchesi, “ovvero, flussi di particelle cariche di altissima energia che ci raggiungono provenendo dallo spazio, scoperti nel 1912 dal fisico Victor Hess”. Lo studio della struttura fondamentale della materia oggi si avvale di strumenti artificiali come gli acceleratori di particelle. “Tuttavia”, commenta ancora il ricercatore italiano, “l’energia massima degli acceleratori non raggiungerà mai quella dei raggi, anche nella più rosea delle ipotesi di sviluppo tecnologico”. Lo studio del fenomeno, quindi, resta uno strumento fondamentale della fisica delle particelle. L’obiettivo di Cream è dare un contributo a individuare le sorgenti di raggi cosmici dentro e fuori la galassia. Un’impresa non facile: infatti le particelle cariche che li compongono perdono la rotta lungo il cammino, perché vengono deflesse dai campi magnetici interstellari. Cream cerca gl’indizi di questa deflessione nella radiazione che raggiunge la terra. In particolare, studia la distribuzione di energia dei protoni: l’obiettivo è vedere se è la stessa che emergerebbe da un modello di deflessione elaborato da Fermi. L’esperimento Bess, d’altra parte, si concentra sullo spettro di bassa energia della radiazione cosmica. Questo contiene informazioni-chiave sul funzionamento dei buchi neri. Secondo una teoria del fisico Hawking, i buchi neri primordiali, nati subito dopo il Big Bang, avrebbero lasciato “evaporare” antiprotoni di bassa energia. La “radiazione di Hawking”, però, non è mai stata osservata. Bess misurerà l’eventuale presenza di una maggiore concentrazione di queste particelle, nell’intervallo di energia previsto dalla teoria. L’esperimento cercherà anche tracce di segnali provenienti dalle zone di antimateria dell’universo.L’antimateria è costituita da particelle identiche a quelle che formano gli oggetti che ci circondano quotidianamente e il nostro stesso corpo, però con carica opposta. La teoria prevede che il Big Bang abbia prodotto uguali quantità di materia e antimateria, e resta aperto il problema del perché la prima sia prevalente nell’universo. Entrambi gli esperimenti richiedono tempi di osservazioni grandi, per catturare una buona quantità di radiazione. Per questo sono previsti almeno altri tre voli di Cream, nei prossimi tre anni. La NASA sta mettendo a punto un pallone di nuova concezione che permetterà all’esperimento di volare per 60-100 giorni. Bess, invece, passerà il testimone a Pamela, un esperimento al quale l’Italia parteciperà con un ruolo rilevante.