Una sorgente extragalattica per i raggi cosmici

Pubblicati i risultati di un esperimento della Collaborazione Pierre Auger, che coinvolge tra gli altri un gruppo di ricerca del dipartimento di Fisica e Astronomia e dell'Infn di Catania

25 Settembre 2017

Importante scoperta che ha visto protagonisti un tra gli altri un gruppo di scienziati del dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Catania e della sezione etnea dell'Infn: la Collaborazione Pierre Auger, che coinvolge oltre 400 scienziati provenienti da 18 Paesi, ha effettuato diversi esperimenti che riportano l'evidenza che i raggi cosmici con energie un milione di volte superiori a quelli dei protoni accelerati nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN provengono dal di fuori della nostra Galassia. Fin dagli anni ‘60, quando si è scoperta l’esistenza di raggi cosmici con energie di diversi Joule, si è speculato sulla loro origine: sono prodotti nella nostra galassia o provengono da galassie lontane? Dopo più di 50 anni, il mistero è stato svelato utilizzando particelle cosmiche di energia media di 2 Joule registrate con il più grande osservatorio di raggi cosmici mai costruito dall’uomo, l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina. Gli scienziati che analizzano i dati raccolti dall’Osservatorio hanno scoperto che, a queste energie, i raggi cosmici non arrivano in maniera uniforme da tutte le direzioni del cielo ma che la loro frequenza di arrivo è di circa il 6% maggiore da un lato del cielo rispetto alla direzione opposta, con l'eccesso che si trova a circa 120 ° dal centro della nostra Galassia.

I risultati degli esperimenti sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista "Science" dello scorso 22 settembre 2017. L’Infn, attraverso le sezioni di Catania, Lecce, Napoli, Milano, Roma Tor Vergata, Torino ha contribuito alle realizzazione dell’Osservatorio Pierre Auger e partecipa attivamente al suo programma di aggiornamento. Circa il 15% degli scienziati che costituiscono la collaborazione Auger sono Italiani e la loro partecipazione alle attività di ricerca dell’Osservatorio è possibile grazie al contributo dell’Infn, dell’Inaf e delle Università di L’Aquila e il Gran Sasso Science Institute, Catania, Milano, Napoli Federico II, Roma Tor Vergata, Salento, Torino e del Politecnico di Milano.

Il Gruppo dell’Università di Catania che ha contribuito alla scoperta insieme agli altri scienziati della Collaborazione Pierre Auger è costituito dagli scienziati: Rossella Caruso (responsabile locale gruppo Auger), Antonio Insolia (direttore della Sezione Infn di Catania), Domenico Lo Presti, Valerio Pirronello (direttore del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Catania), Francesca Zuccarello e dai giovani post-doc i Dottori Mario Buscemi, Danilo Bonanno e Fabio Longhitano.

I raggi cosmici sono i nuclei degli elementi dall'idrogeno (il protone) al ferro. Quando hanno energie superiori a 2 Joule la loro frequenza di arrivo in cima all'atmosfera è di circa una particella per chilometro quadrato all’anno. In maniera equivalente si potrebbe dire che un raggio cosmico di queste energie colpisce la superficie di un campo di calcio una volta ogni 120 anni. Tali particelle rare sono rilevabili perché, interagendo con i nuclei degli elementi che costituiscono l'atmosfera, creano sciami di elettroni, fotoni e muoni. Questi sciami si espandono, attraversando l'atmosfera alla velocità della luce in una struttura a disco, simile a un piatto del diametro di diversi chilometri e raggiungono il suolo.

Le particelle dello sciame vengono rivelate dall’Osservatorio attraverso la luce Cherenkov che esse producono in alcuni dei suoi 1600 rivelatori, ognuno dei quali contiene 12 tonnellate d’acqua. Questi rivelatori sono distribuiti su una superficie che si estende per 3000 chilometri quadrati situata nella Pampa argentina occidentale, comparabile, come dimensione, alla nostra Valle D’Aosta. I tempi di arrivo delle particelle ai rivelatori vengono utilizzati per individuare le direzioni di arrivo degli eventi con una precisione di circa un grado.

Studiando la distribuzione delle direzioni di arrivo di oltre 30000 particelle cosmiche, la Collaborazione Pierre Auger ha scoperto un'anisotropia con una significatività di 5.2 deviazioni standard (equivalente ad una probabilità che tale anisotropia sia un evento casuale di circa due in dieci milioni, ovvero una probabilità che accada per caso pari allo 0.00002%).

L’eccesso nel flusso dei raggi cosmici è in una direzione in cui la distribuzione delle galassie è relativamente elevata. Anche se questa scoperta indica chiaramente un'origine extragalattica di queste particelle, le loro sorgenti effettive devono ancora essere individuate. A queste energie, infatti, le particelle vengono deviate di alcune decine di gradi dal campo magnetico galattico rendendo impossibile l’identificazione delle loro sorgenti ma permettendo di individuare solo la regione di provenienza. Tale regione, però, non può essere associata a sorgenti nel piano o nel centro della nostra galassia per qualsiasi configurazione realistica del campo magnetico galattico.

Esistono, tuttavia, raggi cosmici di energia ancora più elevata rispetto alla maggior parte di quelli utilizzati in questo studio, alcuni anche con l'energia cinetica pari a quella posseduta da una palla da tennis colpita da un giocatore professionista; poiché le deviazioni di tali particelle dovrebbero essere più piccole, le direzioni di arrivo dovrebbero puntare con minore incertezza verso i loro luoghi di produzione. Questi raggi cosmici sono ancora più rari e ulteriori studi sono in corso per cercare di individuare quali siano gli oggetti extragalattici che fungono da giganteschi acceleratori cosmici. La conoscenza della natura delle particelle aiuterà questa ricerca e a questo obiettivo è mirato l'aggiornamento dell'Osservatorio Pierre Auger attualmente in fase di realizzazione.

Secondo il professor Karl-Heinz Kampert (Università di Wuppertal), portavoce della Collaborazione Pierre Auger, "siamo ora molto più vicini a risolvere il mistero dell’origine di queste straordinarie particelle, una questione di grande interesse per gli astrofisici. La nostra osservazione fornisce prove convincenti che i siti di accelerazione si trovano fuori dalla Via Lattea". Il professor Alan Watson (University of Leeds), portavoce emerito, considera questo risultato "uno dei più emozionanti ottenuti e che risolve uno dei problemi per il quale l'Osservatorio è stato concepito da Jim Cronin (Nobel per la Fisica 1980) e da me oltre 25 anni fa". Il professor Daniele Martello (Università del Salento), portavoce della collaborazione italiana all’interno dell’Osservatorio ritiene che “questa scoperta è un primo passo importante a cui ne seguiranno molti altri non appena l’Osservatorio sarà in grado di identificare la natura dei raggi cosmici più energetici”.

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