di Alessandro Ovi
Lo Spettrometro Magnetico Alfa AMS-02 ( Alpha Magnetic Sectrometer ) e’ un insieme di apparati molto sofisticati che realizzerà nello spazio, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, un complesso esperimento della fisica delle alte energie
come quelli in corso, a terra, nei grandi acceleratori di particelle presenti al
CERN di Ginevra o il Fermilab di Chicago.
Il suo scopo e’ quello di effettuare misure accurate, di elevato valore statistico e di lunga durata , nello spazio, di spettri raggi cosmici ad energia elevata (multi-TeV).
Con la sua risoluzione e con la sua capacità di studiare diverse particelle e nuclei per 3-5 anni offre l’opportunità di esplorare accuratamente nuove regioni della fisica in un ambiente decisamente più favorevole alle misurazioni di quello terrestre.
Tra i suoi obiettivi vi sono ricerche di fisica su:
1. Materia Oscura : esistono molte ipotesi teoriche che le particelle previste dalle teorie della Supersimmetria (SUSY theories) secondo la quale ciù che noi conosciamo è solo la metà dell’esistente, siano un componente della Materia Oscura che costituisce un quarto dell’Universo,
2. Antimateria: La teoria del Big Bang per spiegare le origini dell’Universo richiede come prova che, nel ‘caldo inizio’ , materia ed antimateria fossero presenti in parti uguali.
Vi sono tuttavia misurazioni che escludono la presenza di antimateria nel nostro ‘cluster’ di
Galassie anche se non esiste in proposito alcuna evidenza sperimentale per quanto riguarda
La rimanente enorme ( cento milioni di volte più grande) parte dell’Universo.
Le teorie , (CP Violation, Bayron Violation, Standard Model e Grand Unification), che
prevedono o l’esistenza dell’antimateria in zone molto lontane e segregate dell’Universo, o
la sua totale assenza, sono altamente speculative e non hanno alcun fondamento, ad oggi,
su dati sperimentali .
AMS2 sarà in grado , grazie alla sua localizzazione dello spazio , di aumentare di un fattore
1000 , rispetto a quanto si può fare sulla terra, la capacità di osservazione e di
comprensione del bilancio materia-antimateria nell’universo.
3. Raggi cosmici: AMS2 raccoglierà un numero dell’ordine di grandezza del miliardo di nuclei
ed isotopi ( Deuterio, Elio, Litio, Berillio, Boro, Carbonio, …Ferro) permettendo una
accurata definizione del rapporto tra Boro e Carbonio in un ampio intervallo di energie
offrendo così informazioni cruciali sulla propagazione dei raggi cosmici nella galassia.
Prima della installazione sulla stazione spaziale AMS nella sua versione AMS1 ha già effettuato un volo sullo Shuttle per verificare che :
a) gli esperimenti previsti potessero funzionare correttamente nel vuoto con variazioni di temperature orbitali da -65 a +40 C. e con un fondo di radiazione molto intensa.
b) i rivelatori potessero sopportare le forti accelerazioni e decelerazioni del lancio e dell’atterraggio.
AMS2 è previsto venga installato sulla stazione spaziale nell’Aprile 2007 e la sua costruzione sta procedendo rispettando la tabella di marcia.
La NASA sta seguendo con particolare attenzione progettazione, costruzione, sicurezza e definizione delle operazioni a terra, poiché si tratta dell’esperimento più importante tra quelli per ora previsti a bordo della stazione spaziale.
I componenti principali di AMS2 sono:
1. Un Rivelatore di Radiazione di Transizione , (TRD per Transition Radiation Detector), a venti strati.La radiazione di transizione viene emessa quando particelle cariche attraversano il confine tra due mezzi con diverse proprietà dielettriche. Il TRD viene costruito dall’Istituto RWTH di Aachen , il sistema di acquisizione dati è testato parallelamente al TH di Karlsruhe, al CSIST (Istituti si Scienza e Tecnologia ) di Chung Shan e alla Università Naziomalr di Kyungpook. Il sistema di gestione del gas viene dal MIT e l?elettronica dalll’ Itituto Nazionale di Fisica Nucleare di Roma. I test di vibrazione avvengono all’ ENEA alla Casaccia.
2. Un Sistema di Misura di Tempo di Volo a quattro strati (TOF per Time of Flight), in grado di misurare il tempo impiegato per attraversare lo strumento con precisione
dell’ordine di un deci miliardesimo di secondo( 120 picosecondi)
Il TOF di AMS2 viene costruito presso i laboratori dell’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Bologna. I TOF sono stati sperimentati al CERN di Ginevra nel 2002 e nel 2003. Ora debbono essere portate a temine le prove di qualifica per assicurare un corretto funzionamento nello spazio per 3-5 anni senza alcun intervento umano.
3. Un Magnete superconduttore che fornisce una potenza di curvature molto elevata per
uno spettrometro magnetico, uno strumento in grado di misurare tutte le caratteristiche
delle particelle elementari che lo attraversano, nel caso di AMS si tratta di raggi cosmici, in
tempi estremamente brevi, dell’ ordine di milionesimi di secondo.
Il magnete che rappresenta un elemento estremamente critico di tutto il sistema viene
progettato sotto la responsabilità dell’ETH di Zurigo e del MIT.
La sua costruzione viene realizzata da Oxford Instruments che ha generato uno spin off , la
Space Criomagnetics costituita per intero dal gruppo do ricerca e sviluppo dedicato ad
AMS2
4. Un Sistema Tracciante a otto strati basato su rivelatori a silicio, il piu’ grande ed
accurato sistema di questo tipo mai realizzato nello spazio, letto da circa
200.000 preamplificatori di bassa potenza (meno di 1 mW a canale), in grado
di determinare il punto di passaggio delle particelle con una precisione
migliore di di 10 milionesimi di metro. La responsabilità complessiva di questo importante
apparato è dell’INFN di perugina in collaborazione con l’Università di Genova, e di
laboratori industriali Italiani operanti nell’ambito di un contratto dell’Agenzia Spaziale
Italiana. Al suo assemblaggio ha contribuito personale dell’Università di Bucarest.
Il supporto meccanico e il sistema di allineamento laser sono stati progettati e costruiti ad
Aachen. L’elettronica di acquisizione dei dati è stata sviluppata dall’Università di Genova e
dall’INFN di Peugia in collaborazione con MIT e CSIST. Il Sistema di Controllo Termico
è costruito dal NLR (National Aerospace Laboratori di Emmeloord) in collaborazione con
l’ Università di Genova,m l’Università di Sun Yat -sen e con INFN di Perugina.
5 Contatori di anticoincidenza (ACC), sviluppati al RWTH di Aachen, grazie ai quali solo particelle che passano attraverso l’apertura del magnete vengono contate. Si tratta di una serie di scintillatori che sono posizionati in modo da rilevare le particelle che entrano lateralmente e che possono confondere la determinazione delle cariche da parte del Sistema Tracciante.
6. Un sistema di rivelazione ad anelli di Cerenkov (RICH per Ring Imaging Cherenkov
Counter ) , in grado di identificare la massa della particella tramite la misura della sua
velocità con precisione di parti per mille. Il sistema viene costruito dall’INFN di Bologna
in collaborazione con CIEMAT di Madrid, Università del Maryland, della Florida A&M,
Università Autonoma del Messico e LPSC di Grenoble.
7. Un calorimetro elettromagnetico, basato su un sandwich di fibre
scintillanti e piombo, compatto ed accurato, in grado di misurare l’energia
di elettroni e fotoni di alta energia con una precisione migliore del 10%;
Il calorimetro viene fornito dall’INFN di Pisa e Siena in collaborazione con MIT, CALT ed IHEP di Pechino,ed il LAPP di Annecy.
8. L’Elettronica di Acquisizione e Processo dei dati a bordo utilizzata
per i vari rivelatori suddetti; si tratta di centinaia di processori a basso
consumo programmati per svolgere on-line funzioni complesse sui dati
acquisiti dall’ esperimento prima di mandarli a terra.
La quantità totale di elettronica presente nell’AMS2 , circa 300000 canali, è superiore a
quella di tutta la stazione spaziale nel suo complesso. Per assicurare che questa elettronica
basata sulla fisica delle particelle, possa essere utilizzata in modo affidabile nello spazio,
sono state rigorosamente seguite le specifiche fissate per AMS1. La produzione è accentrata
allo CSIST di Pechino , gli studi dei livelli termici al Taiwanese Space Program Office.
Il ruolo di coordinamento generale è del MIT e l’IROE di Firenze sovrintende alla
elettronica di TOF,ACC,RICH ed ECAL. La Carlo Gavazzi Space ha realizzato la
progettazione strutturale, termica e meccanica dei sistemi con la supervisione del MIT.
Tutte le tecnologie impiegate in questo progetto sono state sviluppate partendo da quelle gioà utilizzate per la prima volta nei laboratori a terra da decine d’anni, ma esse vengono utilizzate solo ora, a questo livello di accuratezza , nello spazio.
Si tratta quindi di uno sforzo tecnologico di tutto rilievo.
Ma il grande lavoro richiesto non è solo puramente di tipo scientifico e tecnico; è anche, e forse soprattutto, di coordinamento di un numero davvero rilevante, 55, di Istituti di ricerca di tutto il mondo. 10 dalla Cina, 9 dall’Italia, 6 dagli Stati Uniti, 5 dalla Germania, 4 da Russia e Taiwan, ed in numeri minori da Francia , Olanda, Corea, Svizzera, Spagna, Portogallo; Finlandia.
Si tratta di un intreccio di varie forme di cooperazione dove l’ Italia ha un ruolo importante assieme ad un nuovo protagonista , la Cina, in grande crescita nella ricerca nello spazio.
Può essere un esempio importante per un rilancio della nostra capacità di ricerca e di innovazione tecnologica in Europa e nel mondo.
