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                                                                                                     COLLABORAZIONE  AMS    

Comunicato  stampa          3  aprile    2013,    Ginevra,  Svizzera    

Primi  risultati  dell’      Alpha  Magnetic  Spectrometer  (AMS)        

La   Collaborazione   Alpha   Magnetic   Spectrometer   (AMS)   annuncia   la  pubblicazione  del  primo  risultato  di  fisica  sulla  rivista  Physical  Review  Letters.  AMS  è   il   più   grande   e   sensibile   spettrometro  magnetico   per   lo   studio   della   fisica   delle  particelle  che  sia  stato  mai  dispiegato  nello  spazio.  Come  si  vede  nella  figura  1,  AMS  si   trova   all'esterno   della   Stazione   Spaziale   Internazionale   (ISS)   :   dalla   sua  installazione  il  19  maggio  2011  fino  ad  oggi,  ha  registrato  oltre  30  miliardi  di  raggi  cosmici   aventi   energie   fino   a   migliaia   di   miliardi   di   elettronvolt,   grazie   ad   una  strumentazione   basata   su   un   magnete   permanente   equipaggiato   da   una   serie   di  rivelatori   di   particelle   di   precisione   in   grado  di   identificare   ad  uno   ad  uno   i   raggi  cosmici   che   lo     attraversano   provenendo   dalle   zone   più   remote   dello   spazio.   Nel  corso  della  sua  missione  di  lunga  durata  sulla  ISS,  AMS  registrerà  16  miliardi  raggi  cosmici   ogni   anno,   trasmettendoli   a   terra   per   l'analisi   dati   a   cura   della  Collaborazione  AMS.  

 Quelli  di  oggi  sono  i  primi  risultati  di  fisica  tra  molti  che  seguiranno.  

 

   Figura   1:   Dal   suo   punto   di   osservazione   ~   400   km   sopra   la   Terra,   l'Alpha  Magnetic  Spectrometer  (AMS)  misura  raggi  cosmici  primari  che  attraversano  il  rivelatore.  

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Nei   primi   18   mesi   di   operazioni   nello   spazio,   dal   19   maggio   2011   al   10  dicembre  2012,  AMS  ha  raccolto  e  analizzato  25  miliardi  raggi  cosmici  primari.  Tra  questi  6.8  milioni  di  eventi,  il  campione  statistico  più  grande  mai  raccolto,  sono  stati  identificati   in   modo   inequivocabile   come   elettroni   e   la   loro   controparte   di  antimateria,   i  positroni.  Questi  6,8  milioni  di  particelle,   registrate  nell'intervallo  di  energia   compreso   tra   0,5   e   350   GeV,   sono   alla   base   della   misura   di   precisione  riportata  in  questi  articolo.  

Elettroni   e   positroni   sono   identificati   e   selezionati   rispetto   al   fondo  rappresentato  dai  numerosissimi    protoni  grazie  alle    misure  accurate  e  ridondanti  ottenute   dai   vari   strumenti   che   compongono  AMS.   I   positroni,   la   componente   più  rara,   sono   chiaramente   identificati   grazie   alla   capacità   di   AMS   di   ridurre   di   un  milione  di  volte  il  fondo  di  protoni.  Al  momento  attuale,  il  numero  totale  di  positroni  identificati   da   AMS,   oltre   400.000,   è   il   più   grande   campione   di   particelle   di  antimateria  di  alta  energia  misurate  direttamente  nello  spazio.  

I  risultati  dell'articolo  possono  essere  riassunti  come  segue:    

-­‐ AMS  ha  misurato  la  frazione  di  positroni  (rapporto  tra  il  flusso  di  positroni  al  flusso  combinato  di  positroni  ed  elettroni)  nell'intervallo  di  energia  0,5-­‐350  GeV;  

-­‐ la  frazione  di  positroni    diminuisce  al  crescere  dell’  energia    tra  0,5  e  10  GeV  -­‐  la  frazione    di  positroni  aumenta  invece  costantemente  tra  il  10  GeV  e  ~  250  

GeV;  -­‐ la  pendenza  (tasso  di  crescita)    della  frazione  di  positroni  cala  però  di  dieci  

volte    tra  20  e  250  GeV;  -­‐ ad  energie  superiori  a  250  GeV    lo  spettro  sembra  appiattirsi:  per  studiarne  il  

comportamento  al  di  sopra  di  250  GeV  è  però  necessario  aumentare  ulteriormente  la  statistica.  I  dati  riportati  rappresentano  circa  l'  8%  del  totale  di  eventi  che  AMS  prevede  di  raccogliere  nel  corso  della  sua  missione;  

-­‐ lo  spettro  della    frazione  di  positroni  non  presenta  nessuna  struttura  né  in  funzione  dell’  energia,  né  del  tempo.  

-­‐ la  frazione  di  positroni  non  mostra  anisotropia  angolare,  indicazione  del  fatto  che  i  positroni  di  alta  energia  non  provengono  da  una  direzione  preferenziale  dello  spazio.    Nel  loro  complesso  queste  osservazioni  indicano  la  presenza  di  un  fenomeno  

dovuto  a  nuova  fisica.  La  Figura  2  illustra  i  dati  AMS  presentati  nell'articolo.  

     

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 Figura  2:   La   frazione  di     positroni  misurata  da  AMS  dimostra  un   eccellente   accordo  con   il   semplice   modello   discusso   nell’articolo.   Grazie   alla   elevatissima   statistica  raccolta   da   AMS,   6,8   milioni   di   eventi,   e   la   precisione   della   misura   in   energia,   la  frazione  di  positroni  non  mostra  alcuna  struttura  fine  nello  spettro.    

La  forma  esatta  dello  spettro  mostrato  in  figura  2,  una  volta  che  sarà  esteso  a  energie  più  alte,  potrà  dire  se  questo  andamento  è  dovuto  alla  collisione  di  particelle  di  materia  oscura  o  alla  presenza  di  pulsar  nella  galassia.  La  grande  precisione  dei  risultati  ottenuti  con  i  dati  dei  primi  18  mesi  suggerisce  che  AMS  potrà  affrontare  e  risolvere  questo  problema  con  in  dati  che  verranno  raccolti  in  futuro.  

Negli  ultimi  duw  decenni  c'è  stato  molto  interesse  relativamente  alla  frazione  di  positroni  nei  raggi  cosmici  primari,  sia  da  parte  dei  fisici  delle  particelle  che  degli  astrofisici.  Il  motivo  alla  base  di  questo  interesse  è  il  fatto  che  misurando  il  rapporto  tra   positroni   ed   elettroni   e   identificando     un   eventuale   comportamento   anomalo  dello   spettro   di   energia   di   questa   quantità,   si   può   giungere   ad   una   migliore  comprensione   dell'origine   della   materia   oscura   o   della   presenza   di   altri   nuovi  fenomeni  fisici.  

Il   primo   risultato   AMS   è   stato   ottenuto   confrontando     diversi   modelli  fenomenologici,  uno  dei  quali  è  descritto  nell'articolo    e  mostrato  in  Figura  2.  Questo  modello   comprende   una   componente   diffusa   di   elettroni   e   positroni,   prevista   da  meccanismi  tradizionali,  oltre  ad  una  componente  dovuta  ad  una  nuova  sorgente  di  elettroni   e   positroni.   Esso   si   adatta   sorprendentemente   bene   ai   dati   AMS.   Questo  accordo   tra   i   dati   ed   il  modello   indica   che   lo   spettro   della   frazione   di   positroni   è  compatibile  con  un  flusso  di  elettroni  e  un  flusso  di  positroni  ciascuno  dei  quali  è  la  somma  del  relativo    spettro  diffuso  e  di    una  singola  fonte  comune,  di  alta  energia.  In  altre   parole,   una   parte   significativa   degli   elettroni     e   dei   positroni   di   alta   energia  provengono  da  una  fonte  comune  la  cui  origine  è  sconosciuta..  

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AMS   è   un   sofisticato   spettrometro   magnetico   in   grado   di   esplorare   nuova  fisica   grazie   alla   sua   precisione   di   misura,   alla   quantità   di   dati   che   è   in   grado   di  raccogliere,  all’   intervallo  di  energie  che  può  esplorare,  alla  capacità  di   identificare  con   precisione   le   particelle   elementari   ei   diversi   tipi   di   nuclei   e   alla   lunga   durata  della   sua  missione  nello   spazio.  Come  mostrato   in   figura  3,   la  precisione  di  AMS  e  l’alta   statistica   raccolta   in   questi   18   mesi,   permette   di     distinguere   nettamente   l’  andamento   in   funzione  dell’  energia    della   frazione  di  positroni  da  quella  riportata  dagli    esperimenti  precedenti.  

Nel   corso   del   periodo   operativo   della   Stazione   Spaziale   Internazionale   si  prevede   di   raccogliere   con   AMS   centinaia   di   miliardi   di   raggi   cosmici.   Il  corrispondente   volume   dei   dati   raccolti   richiederà   uno   grandissimo     sforzo   di  analisi.   I   dati   relativi   ad   ogni   particella   raccolta   sono   ricostruiti  meticolosamente,  calibrati   e   archiviati   prima   di   essere   sottoposti   ad   analisi   da   parte   di   gruppi  indipendenti   di   fisici     di   AMS,   in   modo   da   garantire   la   massima   affidabilità   e  precisione  dei  risultati  di  fisica.    

   Figura   3:   Un   confronto   dei   risultati   AMS   con   le  misure   pubblicate   recentemente   da  altri   esperimenti.   Con   il   suo   magnete,   i     preicisi   rivelatori   di   particelle   e   l’alta  precisione   statistica,   il   primo   risultato   di   AMS,   basato     solo     su   circa   l’   8%  dei   dati  previsti,  si  distingue  nettamente  dai  precedenti  esperimenti  (vedi  referenze).  

 

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Informazioni  su  AMS    La   prima   pubblicazione   dell’   esperimento   AMS   è   una   pietra   miliare   per   la  

Collaborazione   internazionale   AMS.   Centinaia   di   scienziati,   ingegneri,   tecnici   e  studenti  provenienti  da  tutto  il  mondo  hanno  lavorato  insieme  per  oltre  18  anni  per  fare   di   AMS   una   realtà.   La   Collaborazione   comprende   16   paesi   in   Europa,   Asia   e  Nord  America  (Finlandia,  Francia,  Germania,   Italia,  Paesi  Bassi,  Portogallo,  Spagna,  Svizzera,  Romania,  Russia,  Turchia,  Cina,  Corea,  Taiwan,  Messico  e  Stati  Uniti)  sotto  guida   del   premio   Nobel   Samuel   Ting,   del   MIT.   La   Collaborazione   AMS   opera   in  stretto  contatto  con  l'eccellente  team  della  NASA  dedicato  al  progetto  AMS  presso  il  Johnson  Space  Center,  collaborazione  che  si  è  estesa  per  tutta  la  durata  del  progetto.    

 L’Italia   dato   un   importante   contributo   alla   costruzione   e   operazione   del  

rivelatore  nonché  all’  analisi  dei  dati,  sotto  la  guida  del  Professor  Roberto  Battiston,  deputy  spokesperson  di  AMS,  dell’  Università  e  INFN-­‐TIFPA,  Trento.    

 La  partecipazione  dell’  Italia  è  stata  sostenuta  dall'INFN  e  dall'  ASI  e  ha  visto  

il  coinvolgimento  delle  Università  e  delle  Sezioni   INFN  di  Bologna,  Milano  Bicocca,  Perugia,  Pisa,  Roma  “Sapienza”  e  Trento  in  collaborazione  con  le  industrie  nazionali  (CGS,   CAEN,   G&A   Engineering,   FBK).   Il   contributo   alla   realizzazione   della  strumentazione   spaziale   ha   riguardato   il   sistema   di   Tempo   di   Volo   e   di   Anelli  Cerenkov   (Bologna),   il   Tracciatore   al   Silicio   (Perugia,   Trento),   il   Calorimetro  Elettromagnetico  (Pisa),  il  rivelatore  a  Radiazione  di  Transizione  (Roma),  nonché  il  segmento  a  terra  dei  dati  (Milano  Bicocca).  L'analisi  dati  è  stata  realizzata  presso  le  infrastrutture  di  calcolo  dell'  INFN-­‐CNAF  (Bologna)    e  dell'  ASI-­‐ASDC  (Frascati).  

 AMS   è   un   esperimento   di   fisica   delle   particelle   sulla   ISS,   sponsorizzato   dal  

Dipartimento  dell’  Energia  (DoE)  nel  quadro  dell’  accordo  di  collaborazione  tra  DoE  e  NASA.  AMS  è  stato  costruito  presso  le  università  e  gli   istituti  di  ricerca  di  tutto  il  mondo  e  integrato  presso  l'Organizzazione  Europea  per  la  Ricerca  Nucleare,  CERN,  Ginevra,  Svizzera.  E’  stato  trasportato  al  Kennedy  Space  Center  nell’  agosto  2010  a  bordo  di  una  speciale  cargo  C-­‐5M  dell’  Air  Mobility  Command  dell’  Air  Force.  AMS  è  stato   lanciato   dalla   NASA   verso   la   ISS   come   payload   principale   a   bordo   della  missione   finale   dello   Space   Shuttle   Endeavour   (STS-­‐134),   il   16   maggio   2011.  L'equipaggio   della   missione   STS-­‐134,   Greg   Johnson,   Mike   Fincke,   Greg   Chamitoff,  Drew   Feustel,   Roberto   Vittori   sotto   il   comando   di   Mark   Kelly,   ha   installato   con  successo   AMS   come   strumento   esterno   sulla   ISS,   come   parte   dell'   US   National  Laboratory,  il  19  maggio  2011.  Una  volta  installato,  AMS  è  stato  acceso  e  ha  subito  iniziato   a   misurare   raggi   cosmici   primari   nello   spazio,   trasmettendoli   al   Payload  AMS  Operations  Control  Center  (POCC).  Il  POCC  si  trova  al  CERN,  Ginevra,  Svizzera.  

Una   volta   acceso   AMS,   il   primo   compito   della   collaborazione   AMS   è   stato  quello  di   assicurare   che   tutti   gli   strumenti   e   sistemi  di   bordo   funzionassero   come  previsto   e   verificato   a   terra.   Il   rivelatore  AMS,   con   le   sue   ridondanze  multiple,   ha  dimostrato   di   operare   perfettamente   nello   spazio.   Nel   corso   degli   ultimi   22  mesi  della   missione,   i   collaboratori   AMS   hanno   acquisito   una   preziosa   esperienza  operativa   nella   gestione   di   uno   spettrometro   di   precisione   nello   spazio   e   nel  

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controllare   gli   effetti   delle   condizioni   estreme   dell’   ambiente   a   cui   è   esposto  AMS  nella  sua  orbita  di  90  minuti  intorno  alla  Terra.  Si  tratta  di  condizioni  molto  diverse  sia  da  quelle  degli  esperimenti  di  fisica  delle  particelle  agli  acceleratori  a  terra    sia  di  quelle  dei  satelliti  che  orbitano  indipendentemente  dalla  ISS.  Gli  effetti  includono  le  variazioni  termiche  causate  dagli    effetti  solari  e  dal  continuo  ri-­‐posizionamento  dei  radiatori   e   dei   pannelli   solari   della   ISS.   Gli   operatori   che   controllano   AMS  trasmettono  periodicamente  gli   aggiornamenti   software  dal  POCC  AMS  al  CERN  ai  computer  di  AMS  sulla  ISS,  al  fine  di  mantenere  aggiornato  regolarmente  il  software  e  lo  stato  dell’  hardware  sulla  ISS.  

Grazie  alla  grande  quantità  di  raggi  cosmici  primari  che  misurati  da  AMS,  la  Collaborazione  potrà  anche  esplorare  altri  importanti  temi    di  fisica  quali:  -­‐  misure  di  precisione  del  rapporto  boro/carbonio,  -­‐  misura  dell'abbondanza  relativa  dei  vari  nuclei,  -­‐  misura  dell'eventuale  presenza  di  nuclei  di  antimateria,  -­‐  misure  di  precisione  del  flusso  delle  varie  particelle  che  compongono  i  raggi  cosmici  come  elio,  protoni  e  fotoni  -­‐  ricerca  di  nuova  fisica  e  di  nuovi  fenomeni  astrofisici  come  la  presenza  di    particelle  di  materia  “strana”  

La  Collaborazione  AMS  effettuerà  queste  misure  di  precisione  nel  corso  della  vita  della  Stazione  Spaziale  continuando  la  missione  di  AMS  dedicata  alla  ricerca  di  nuovi  fenomeni  fisici  nel  cosmo  (figura  4).      

Informazioni  su  AMS  si  trovano  su        www.ams02.org    

     Figura  4:  La  Stazione  Spaziale  Internazionale  rappresenta  una  piattaforma  di  osservazione  per  il  rivelatore  AMS  con  caratteristiche  uniche  per  lo  studio  di  fenomeni  in  fisica  fondamentale  che  non  sono  osservabili  dalla  Terra.  Le  particelle  elementari  cariche  e  i  raggi  gamma  ad  alta  energia  vengono  assorbiti  dall'atmosfera  terrestre.  AMS  è  attualmente  l'unico  spettrometro  magnetico  di  precisione  che  opererà  sulla  ISS  per  l’intera  durata  della  vita  della  Stazione  Spaziale.  

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       Referenze    TS93:     R.  Golden  et  al.,  Astrophys.  J.  457  (1996)  L103.    Wizard/CAPRICE:  M.  Boezio  et  al.,  Adv.  Sp.  Res.27-­4  (2001)  669.    HEAT:     J.  J.  Beatty  et  al.,  Phys.  Rev.  Lett.  93  (2004)  241102;  

M.  A.  DuVernois  et  al.,  Astrophys.  J.  559  (2001)  296.    AMS-­‐01:  M.  Aguilar  et  al.,  Phys.  Lett.  B  646  (2007)  145.    PAMELA:   P.   Picozza,   Proc.   del     4th   International   Conference   on   Particle   and   Fundamental   Physics   in   Space,  

Geneva,   5-­‐7  Nov.   2012,   in   corso   di   pubblicazione.   Il   valore   del   punto   ad   energia   più   alto   è     il   limite  inferirioe   al   90   %   di   livello   di   confidenza.     Rignraziamo   il     Professor   Picozza   per   averci   fornito  informazioni   accurate   relativamente   all’esperimento     PAMELA.     Nota:   1)     I   dati   sono   ottenuti  direttamente   dai   flussi   assoluti   di   elettroni   e   positroni   misurati   indipendentemente.   2)     Gli   errori  riportati   contengono   non   solo   errori   statistici  ma   anche   una   parte   degli   errori   sistematici.   3)   I   dati  mostrati  sono  stati  ottenuti  tra  giugno  2006  e  gennaio  2010.  Essi  rappresentano  una  media  degli  effetti  della  modulazione  solare.  O.  Adriani  et  al.,Astropart.  Phys.  34  (2010)  1;  O.  Adriani  et  al.,Nature  458  (2009)  607.  

 Fermi-­‐LAT:  M.  Ackermann  et  al.,  Phys.  Rev.  Lett.  108  (2012)  011103.