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Nuova caratteristica scoperta nello Spettro energetico dei Raggi Cosmici di Energia Ultra-Elevata dall’Osservatorio Pierre Auger

 

Lo spettro in energia delle particelle più energetiche presenti nell’Universo, i cosiddetti Raggi Cosmici di Energia Ultra-Elevata, è stato misurato dall’Osservatorio Pierre Auger con una precisione senza precedenti. E’ stata scoperta una nuova caratteristica nell’andamento dello spettro ad energie elevate, imputabile alla dipendenza della composizione chimica di tali particelle dall’energia. I risultati sono stati pubblicati sulle prestigiose riviste scientifiche Physical Review Letters e Physical Review D. in due articoli correlati (Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020) and Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)).

 

La Collaborazione scientifica dell’Osservatorio Pierre Auger ha misurato, con una precisione mai ottenuta prima, lo spettro in energia dei raggi cosmici di altissima energia.

Si tratta di nuclei atomici che colpiscono la Terra, molto raramente, e che vengono prodotti in sorgenti astrofisiche extragalattiche sino a energie estreme, pari a 100 miliardi di miliardi (1020) di elettronvolt. Per avere un’idea di quanto queste energie siano grandi, si pensi che per raggiungerle si dovrebbe costruire un acceleratore di particelle con un anello lungo quanto l’orbita di Mercurio.

Grazie all’estrema precisione della misura, la Collaborazione Pierre Auger ha riportato (Figura 1) la prima osservazione di un repentino cambio di pendenza a circa 13 miliardi di miliardi di elettronvolt nella curva che descrive l’andamento del flusso di particelle in funzione dell’energia (spettro energetico). Questo risultato è particolarmente importante e fornisce un’ulteriore evidenza del fatto che la composizione chimica dei raggi cosmici possa variare con l’energia. Le misure ottenute dalla Collaborazione Pierre Auger suggeriscono che i raggi cosmici di altissima energia possano essere prodotti in sorgenti astrofisiche come i Nuclei Galattici Attivi e le Galassie StarBurst”.

La misura presentata dalla Collaborazione è unica sia per la precisione statistica sia per l’ottimo controllo delle incertezze sistematiche, in particolare, grazie alle misure fornite dai telescopi di fluorescenza, si ottiene una stima calorimetrica dell’energia degli sciami che non necessita di modellizzazioni teoriche difficilmente verificabili ad energie non raggiungibili in laboratorio.

Per raggiungere questo risultato, l’apporto della comunità scientifica italiana è stato cruciale. I gruppi italiani, guidati dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), hanno contribuito in modo sostanziale a tutto il lungo processo che ha portato alla pubblicazione di questi importanti risultati: dalla costruzione del rivelatore, alla presa dati durata circa 15 anni, all’analisi dei dati”.

I risultati riportati nella pubblicazione di due articoli sulle riviste scientifiche Physical Review Letters e Physical Review D, selezionati negli Highlights dell'American Physical Society (APS), è stato ottenuto grazie alla rivelazione di oltre 215,000 sciami atmosferici di raggi cosmici di altissima energia osservati in circa 15 anni di presa dati dell’Osservatorio che occupa una superficie di 3000 km2 situato su un altopiano a circa 1500 m di altitudine in prossimità della cittadina di Malargüe nella provincia di Mendoza, in Argentina, in una regione denominata Pampa Amarilla.

L’Osservatorio è costituito da un sistema ibrido che comprende 1600 rivelatori di superficie Cherenkov ad acqua posti a 1,5 chilometri l’uno dall’altro (Figura 2) che misurano le particelle dello sciame dei raggi cosmici quando colpisce la superficie terrestre e 27 telescopi di fluorescenza (Figura 3) distribuiti intorno alla griglia di rivelatori di superficie che raccolgono, invece, i lampi di luce di fluorescenza prodotti in atmosfera dalle particelle cariche dello sciame, osservandone così lo sviluppo in aria lungo la direzione di provenienza.

L’Osservatorio è gestito da una collaborazione internazionale di oltre 400 scienziati provenienti da 17 Paesi nel Mondo, a cui l’Italia partecipa con gruppi delle Università e delle Sezioni INFN di Catania, Lecce, Milano, Napoli, Roma Tor Vergata, Torino, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN, il Gran Sasso Science Institute e l’Osservatorio Astrofisico di Torino dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). Nel prossimo futuro, grazie anche al contributo INFN, le prestazioni del rivelatore saranno ulteriormente migliorate a seguito del potenziamento, attualmente in corso, dei rivelatori di superficie nel progetto denominato AugerPrime; ciò consentirà di ottenere informazioni ancora più precise sui raggi cosmici di altissima energia, e quindi contribuire alla comprensione dei meccanismi che regolano le sorgenti astrofisiche nel Cosmo che riescono a fornire a singole particelle, attraverso fenomeni ancora poco conosciuti, energie eccezionali.

Alla Collaborazione Pierre Auger partecipa da anni il Gruppo di Ricerca Auger del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana” (DFA) dell’Università degli Studi di Catania in assocazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Sezione di Catania (INFN-CT) guidato dalla Prof.ssa Rossella Caruso, Responsabile Locale e Rappresentante Istituzionale per l’Ateneo di Catania & INFN-CT in seno al Collaboration Board dell’Osservatorio.
L’Università degli Studi di Catania & l’INFN–CT firmano, quindi, le suddette pubblicazioni con: Rossella Caruso, Prof. Associato in Fisica Sperimentale; Mario Buscemi, Assegnista di Ricerca INFN; Antonio Insolia, Prof. Ordinario in Fisica Sperimentale; Domenico Lo Presti, Ricercatore Universitario in Fisica Sperimentale; Valerio Pirronello, Prof. Ordinario in Astrofisica, Francesca Zuccarello, Prof. Associato in Astrofisica. Il gruppo Auger di Catania si è contraddistinto fin dalle prime fasi (2000-2002) di vita dell’Osservatorio con incarichi e responsabilità internazionali relativi alla progettazione, produzione (interamente siciliana affidata a ditte sul territorio) e installazione in situ di parti strutturali dei telescopi nonchè alla progettazione e manutenzione dell’elettronica di alimentazione dei telescopi stessi. Negli anni il gruppo si è specializzato nella realizzazione e gestione dei sistemi di calibrazione relativa dei telescopi e della riduzione e analisi originali dei dati reali e, successivamente, al controllo delle operazioni e prestazioni dell’intero rivelatore ibrido. Attualmente il gruppo collabora concretamente anche alla fase di potenziamento AugerPrime.
In particolare la Prof.ssa R. Caruso è Task Leader a livello internazionale del Working Group (WG) “Operations and Long Term Performance” nell’ambito della Collaborazione Pierre Auger, coordinando sul tema un gruppo di circa 20-25 scienziati dall’Argentina all’Australia, dopo aver ricoperto per anni precedentemente il ruolo internazionale di Task-Leader del WG “Fluorescence Detector Calibration”; il Prof. A. Insolia è Responsabile internazionale del “Sistema di Alimentazione dei Telescopi di Fluorescenza” e il gruppo di Catania, avvalendosi delle competenze del Servizio Elettronica dell’INFN-CT, guidato dal Responsabile Ing. Gaspare Saccà, e del Laboratorio Elettronica del DFA, Responsabile Sign. Nunzio Guardone - a cui va una menzione speciale per le numerose missioni in condizioni estreme trascorse presso l’Osservatorio - garantisce il corretto funzionamento e manutenzione di tutti i sistemi di alimentazione dei telescopi; il Prof. D. Lo Presti è Responsabile della progettazione dell’elettronica di Front-End e Data Acquisition per il sistema di caratterizzazione dei nuovi fotorivelatori per AugerPrime e il Dott. M. Buscemi è Responsabile del sistema di test in cella climatica di nuovi dispositivi di alimentazione per AugerPrime, fiore all’occhiello del Laboratorio Auger realizzato nei recenti anni presso il DFA & INFN-CT e attualmente unico sito mondiale ad operare queste misure nell’ambito della Collaborazione Pierre Auger.

 

Figura 1: Il flusso di Raggi Cosmici di più alte energie (scalato del fattore E3) misurato dall’Osservatorio Pierre Auger. I dati sono confrontati con un modello rappresentativo per sorgenti astrofisiche che illustra la correlazione tra energia e composizione chimica delle particelle (A indica il numero di massa di un atomo) dipendente dall’energia.

Figura 2: Uno dei 1600 rivelatori di superficie ad acqua Cherenkov distribuiti su un’area di circa 3000 km2 nella Pampa argentina.

Figura 3: Uno dei telescopi di fluorescenza alla cui progettazione e realizzazione ha contribuito il gruppo di ricerca dell’Ateneo di Catania e Sezione INFN di Catania.