Il professor Picozza, durante un momento della conferenza. Foto archivio Università di Trento

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IL COSMO COME LABORATORIO

Esperimenti su palloni, satelliti e stazioni spaziali per comprendere i raggi cosmici. Una conferenza del professore emerito Piergiorgio Picozza, ideatore dell’esperimento PAMELA

10 aprile 2015
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di Cristiano Zanetti
Lavora presso la Divisione Comunicazione ed Eventi dell’Università di Trento.

Il cosmo è il Laboratorio con la “L” maiuscola, dove possono essere osservati fenomeni ad energie più alte di quelle raggiungibili da qualsiasi acceleratore progettato dall’uomo. Se n’è parlato lo scorso 26 marzo con Piergiorgio Picozza, professore emerito all’Università di Roma Tor Vergata e INFN e direttore di importanti esperimenti di ricerca nazionale e internazionale, nell’ambito dei “Dialoghi” promossi dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento e dal Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA). Nel corso del suo intervento “Understanding Cosmic Rays with Balloon, Satellite and Space Station Experiments” (Comprendere i raggi cosmici per mezzo di esperimenti su palloni, satelliti e stazioni spaziali) tenuto presso il Polo scientifico e tecnologico Fabio Ferrari, il professor Picozza ha ripercorso il passato, descritto il presente e ipotizzato il futuro dell’utilizzo del cosmo come laboratorio.

Perché è importante studiare i raggi cosmici? Per molte ragioni, ad esempio far funzionare meglio i voli interplanetari: i raggi cosmici galattici sono un forte ostacolo per i voli spaziali verso Marte; ma la principale è che la materia visibile nell’Universo, come per esempio le stelle, costituisce il 5% circa del bilancio totale di massa-energia nell’Universo. Il restante 95% è buio, o meglio è in parte materia oscura (il 26,8% della massa dell’Universo) e in parte energia oscura (il resto). La natura esatta delle due componenti oscure non è nota.

La storia dell’utilizzo del cosmo come laboratorio ha inizio alla fine dell'Ottocento: gli esperimenti a terra dimostravano che l'aria è sempre, sia pure debolmente, "ionizzata", contiene cioè una piccola percentuale di elettroni liberi e di ioni positivi che tendono a ricombinarsi per formare atomi neutri. Qualcosa, una forma di radiazione, doveva agire sulla materia per estrarre in continuazione gli elettroni dagli atomi. Una possibile sorgente per questa "radiazione ionizzante" era la radioattività. L'ipotesi era che la ionizzazione dell'aria fosse dovuta a radiazione di origine terrestre e che quindi fosse minore a quote più elevate. Durante un esperimento il 7 agosto del 1912 alle sei del mattino un pallone si sollevò dalla città di Aussig in Austria. Il pallone volò per due ore e mezza, superando la quota di 5.000 metri. A bordo il fisico Victor Hess aveva con sé gli strumenti per misurare la ionizzazione dell'aria che ad alta quota risultò maggiore che al suolo. La conclusione di Hess fu che “una radiazione di alto potere ionizzante entra dall'alto nella nostra atmosfera". Nel 1936 Hess ricevette il premio Nobel per la scoperta dei raggi cosmici.

Da allora sono stati fatti passi da gigante: l’osservazione “diretta” delle particelle che arrivano dallo spazio ha reso necessario porre i rilevatori al di sopra dell’atmosfera terrestre che, almeno in parte, le filtra. In questo la conferenza che si è svolta in Ateneo ha avuto un significato particolare perché il professor Picozza è l’ideatore di PAMELA (Payload for Antimatter-Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), il più bell’esperimento di misura di raggi cosmici basato nello spazio dell’immediato passato. Lo strumento PAMELA,  lanciato il 15 giugno del 2006 a bordo del satellite Resurs DK-1 dal cosmodromo russo di Baikonur, ha ottenuto risultati di grandissimo interesse con le misure – ad un dettaglio senza precedenti – dei flussi di antimateria nei raggi cosmici e potrebbe aver colto (come ricordato dal professore) la prima evidenza indiretta di materia oscura (che cioè non assorbe né emette radiazione) e che secondo i calcoli teorici risulta essere ben cinque volte più abbondante della materia ordinaria del nostro universo.

E il futuro?

Il Dipartimento di Fisica dell'Università di Trento è attivamente coinvolto in questo settore della ricerca con i professori Roberto Battiston (attualmente anche presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana) ed Ignazio Lazzizzera, impegnati nel progetto AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), un rilevatore di particelle avanzato che dal maggio del 2011 è in operazione come modulo esterno della Stazione Spaziale Internazionale. AMS-02 sta studiando l’universo  attraverso misure di precisione della composizione e del flusso dei raggi cosmici, senza gli effetti di offuscamento causati dall’atmosfera. Conosciamo solo il 5% della materia del nostro universo. PAMELA e AMS-2 sono importanti tentativi di ampliare le nostre conoscenze verso quel (meraviglioso) 95% che attende di essere scoperto.