RAGGI COSMICI E SUPERNOVE



L'idea di accelerare particelle per poi farle collidere è ormai parte integrante delle metodologie sperimentali correnti in fisica delle particelle. Acceleratori sempre più potenti sono stati costruiti, fino all'LHC del Cern di Ginevra, capace di far urtare tra di loro due protoni da 3.5 TeV ciascuno. E nonostante questo l'energia più alta che possiamo osservare concentrata in una particella subnucleare non è l'energia di LHC, bensì l'energia di alcuni raggi cosmici. I raggi cosmici ci colpiscono da tutte le direzioni e vengono dallo spazio galattico o extragalattico. Il loro spettro energetico raggiunge l'incredibile valore di 1020 eV, equivalente a una energia macroscopica (10 Joule) concentrata in una singola particella. Si tratta grosso modo di 108 volte l'energia di uno dei due fasci di LHC (anche se, nel centro di massa, si tratta di un guadagno energetico "solamente" di un fattore mille rispetto a quanto disponibile al Cern). Il mistero quindi sussiste - ed è letteralmente un mistero cosmico - di come sia possibile accelerare nell'Universo le particelle a queste energie. E diversi sono i meccanismi proposti a riguardo. Tra i candidati possibili a svolgere il ruolo di acceleratori cosmici, troviamo i nuclei galattici attivi (AGN), le pulsar, le radiogalassie e i resti di Supernovae. Questo mistero si intreccia con uno degli altri misteri studiati nell'Osservatorio Pierre Auger. L'Osservatorio Auger, situato a Malargue, nella Pampa Amarilla argentina, è il più grande rivelatore del mondo per lo studio dei raggi cosmici. In Auger sono stati osservate particelle provenienti dallo spazio fino ad energie di 1020 eV. Nessuna particella è stata osservata ad energie superiori il che potrebbe significare che gli acceleratori cosmici hanno esaurito la loro spinta propulsiva. Tuttavia un altro meccanismo appare possibile: se un protone o un nucleo arrivano a energie di 1019 eV o superiori, essi possono iniziare a interagire in modo significativo con la radiazione cosmica di fondo a microonde. Questo singolare processo nel quale le energie più alte e le più basse (quelle dei fotoni a 3 K) si incontrano, dovrebbe inibire l'esistenza di particelle ad energie oltre 1020 eV circa.

Questo meccanismo viene chiamato soppressione GZK dal nome dei tre scienziati (Greisen, Zatsepin, Kuzmin) che ne ipotizzarono l'esistenza. In linea di principio, se conoscessimo bene la sezione d'urto e la composizione (protoni o nuclei), dei raggi cosmici primari, potremmo discriminare tra la soppressione GZK e il fatto che le sorgenti abbiano esaurito la loro capacità di accelerazione. Ma purtroppo entrambe queste quantità (la sezione d'urto e la composizione) sono conosciute con un errore consistente. Si comprende allora quando sia importante determinare quali siano i meccanismi di accelerazione delle particelle cosmiche. Meglio li conosciamo, meglio siamo in grado di avvicinarci alla soluzione di questo "puzzle". E in questo senso il lavoro recente del satellite Fermi rivela tutta la sua importanza. Fermi è il più formidabile telescopio a raggi gamma mai mandato su satellite, capace di rivelare fotoni fino all'energia di 300 GeV. La sua elevata risoluzione e la sua capacità di studiare i Gamma Ray Bursts (GRB) ne fanno uno strumento veramente unico. Ed infatti le immagini del "cielo gamma di Fermi", lanciato nel 2008, hanno fatto il giro delle conferenze specializzate di tutto il mondo. Tra gli scopi di Fermi uno riguarda proprio la comprensione dei meccanismi di accelerazione delle particelle cosmiche e in particolar modo da Supernovae. Svariati resti di Supernovae sono stati studiati nello spettro gamma (MeV,GeV), ottenendo risultati importanti nel caso di due resti di Supernova (IC443 e W44). Dal momento che ogni particelle carica produce raggi gamma quando attraversa un materiale, si rivelava importante distinguire tra elettroni e protoni, questi ultimi essendo certamente una importante componente dei raggi cosmici rivelata in Auger. L'analisi degli scienziati di Fermi ha dimostrato in modo inequivocabile (attraverso una caratteristica energetica dovuta ai pioni) che i raggi gamma prodotti dai resti di Supernova derivano certamente anche da protoni a energie elevatissime. Questa scoperta dimostra per la prima volta che i resti di Supernovae sono responsabili di accelerazione di protoni ad alte energie. Nonostante questa importante scoperta, il mistero resta ancora tutto da risolvere. Certamente non sappiamo ancora fino a che energia arrivano le particelle accelerate dai resti di Supernovae. E possiamo scommettere che questo problemache terrà occupati i ricercatori ancora per molto tempo. Si tratta di un esempio di ricerca "multi-messenger" nella quale rivelatori diversissimi (Auger a terra e Fermi nel cielo) studiano il cielo, ciascuno sensibile a una certa radiazione che proviene dallo spazio (le particelle cariche nel caso di Auger e i raggi gamma nel caso di Fermi). Sinergie di questo tipo sono considerati ormai sempre più rilevanti per lo studio sperimentale dell'Universo e del suo contenuto. 

Fermi è una missione che coinvolge fisici delle particelle ed astrofisici, lanciato dalla NASA e in collaborazione con istituti ed agenzie finanziatrici di USA, Francia, Germania, Giappone, Italia, Svezia. L'Italia partecipa alla collaborazione con l'Agenzia Spaziale Italiana, e svariate sezioni dell'Infn e dell'Inaf. All' Osservatorio Auger lavorano circa 400 fisici, con una importante partecipazione italiana sponsorizzata dall'Infn. Alla collaborazione italiana partecipa anche il gruppo di Milano coordinato da Lino Miramonti.

http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/supernova-cosmic-rays.html

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MARCO G. GIAMMARCHI

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 





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