AMS-02 compie un anno in orbita, in cerca dell’universo oscuro (e strano)

È l’omologo spaziale di LHC, il poderoso acceleratore di particelle del Cern di Ginevra. Mentre LHC cerca di riprodurre in laboratorio i fenomeni che hanno caratterizzato l’universo nei suoi primi istanti, in cerca di particelle esotiche, quelle che appartengono a un universo molto diverso da quello che vediamo oggi, AMS-02 sta lì in orbita intorno alla Terra, ormeggiato alla Stazione Spaziale Internazionale. Immobile, appostato silenziosamente per scattare al primo segnale di qualcosa di anomalo.

Un'indagine da Nobel

Per l’italiano Roberto Battiston, vice-direttore del progetto, AMS-02 potrebbe fruttare un giorno il premio Nobel per la fisica. Magari insieme a qualcun altro dei 600 scienziati che vi prendono parte. Lo sanno da quando hanno iniziato a immaginare, più di dieci anni fa, questa macchina straordinaria concepita per trovare risposte concrete ai più grandi enigmi dell’universo. A capo di tutto c’è un uomo che il Nobel già ce l’ha, Samuel C.C. Ting, che negli anni ’70 coronò il modello standard della fisica delle particelle scoprendo il mesone J/psi. Negli anni successivi, Ting lavorò alla possibilità di addentrarsi nei più profondi abissi della fisica delle alte energie, ma quando, all’inizio degli anni ’90, il Congresso americano bocciò il progetto del Superconducting Super Collider, che avrebbe superato in potenza lo stesso LHC, Ting si rese conto che l’unico altro modo per scoprire nuove particelle e confermare le teorie dei fisici era andare nello spazio.

Dopo il successo del primo prototipo, AMS-01, nel 1998, solo nel maggio 2011 è stato possibile portare in orbita con il penultimo volo Shuttle l’AMS-02. Negli anni, le difficoltà non sono mancate. Un miliardo e mezzo di euro spesi, in una straordinaria collaborazione internazionale che ha visto impegnati 16 paesi, tra cui l’Italia, che ha fornito un contributo importantissimo in termini di scienza, tecnologia e capitali. Contributo che in parte ha già dato i suoi frutti, visto che le nuove tecnologie sperimentate per la costruzione di AMS hanno portato a diversi importanti brevetti industriali per le aziende italiane che ci hanno lavorato, per non parlare dei posti di lavoro che AMS ha creato soprattutto nei centri di ricerca universitari e dell’INFN (l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), nonché nelle compagnie aerospaziali nostrane.

Cacciatore di antimateria

Ma oggi, dopo un anno di attività nello spazio, il vero risultato che si aspetta da questo grande investimento è una visione più chiara dell’universo oscuro. Innanzitutto, l’antimateria. Le teorie ci dicono che quando avvenne il Big Bang esisteva un’uguale quantità di materia e di antimateria. Poi, per ragioni finora sconosciute, oggi nell’universo esiste solo la materia, o quasi. Particelle di antimateria esistono in natura, e le abbiamo anche riprodotte in laboratorio, negli acceleratori, per poche frazioni di secondo o giù di lì, perché sono fortemente instabili: quando entrano in contatto con la materia ordinaria, si distruggono liberando grandi quantità di energia. Alcune teorie, rette da solidi calcoli matematici, spiegano che in origine la materia era più abbondante dell’antimateria di una minuscola frazione di percentuale, sufficiente però a far sì che solo la materia abbia prevalso. Altre teorie sostengono cose diverse, per cui c’è bisogno di testarle tutte attraverso dati empirici. E l’unico modo per cercarli è nello spazio.

AMS-02 viene bombardato continuamente dai raggi cosmici. In quella radiazione formata da miliardi di particelle estremamente energizzate possono nascondersi cose strabilianti. Sappiamo che nei raggi cosmici sono presenti positroni (le antiparticelle degli elettroni) per una parte su mille – furono del resto i primi a essere osservati, ottant’anni fa – e gli antiprotoni, uno su diecimila circa. Sono particelle elementari. Ma esistono anche particelle più complesse, più pesanti, fatte di antimateria? Esistono antiatomi? Roba come l’antielio o l’antideuterio, per esempio? “La rivelazione di un antinucleo di elio o di carbonio avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la nostra comprensione dell’universo primordiale”, spiegano Battiston e Andrei Kounine, fisico di spicco del progetto AMS-02: “Infatti, come i nuclei atomici sono formati da processi di fusione nucleare nelle stelle, la presenza di antinuclei nei raggi cosmici implicherebbe l’esistenza di zone dell’universo popolate da stelle, pianeti e galassie formate interamente da antimateria”. Mica poco.

Lo strano caso della materia strana

Ma i sei strumenti d’indagine che circondano l’enorme magnete di AMS-02, al cui interno schizzano a velocità relativistiche le particelle che compongo i raggi cosmici, cercano anche altro. Particelle nuove, “esotiche”, che potrebbero spiegare cos’è la materia oscura. L’INFN pochi giorni fa ha reso noto che negli esperimenti sotto il Gran Sasso si è ridotta la possibilità di trovare le WIMP, le particelle massicce e oscure teorizzate da alcuni fisici come componenti della materia oscura. Se ci sono, non riusciamo proprio a trovarle. AMS-02 potrebbe riuscirci, o potrebbe trovare qualche altra cosa, che serva a spiegarci di cosa è fatto quel 96% dell’universo che c’è, lo sappiamo, ma che non si vede. Tra queste strane particelle ce ne sono alcune il cui nome è tutto un programma: strangelet. In italiano non c’è una traduzione, ma qualcuno le chiama “particelle strane”. E lo sono davvero.

A differenza della materia ordinaria che esiste sulla Terra, composta da atomi, a loro volta composti di elettroni e particelle nucleari – protoni e neutroni – le quali a loro volta sono composte da tre quark, secondo alcune teorie esisterebbero in realtà altri tre tipi di quark. “Alcuni scienziati teorizzano che lì fuori ci sono altre forme di materia che potrebbero essere composte di una combinazione di questi sei quark, e che vengono chiamate strangelet”, spiega Tara Ruttley, scienziata della NASA addetta ai programmi scientifici sulla ISS. “Gli scienziati hanno trovato prove di questi quark strange e antistrange negli acceleratori a ioni pesanti, che ritengono potrebbero portare alla formazione di strangelet, ma a oggi uno stranglet resta una particella ipotetica”. Anche queste potrebbero essere ottime candidate come responsabili della materia oscura. Non solo: lì fuori, nell’universo, potrebbero esserci corpi celesti composti interamente di materia strana, come le “stelle di quark” o “stelle strane”, ipotetiche stelle di neutroni composte di strangelet.

Ce n’è abbastanza da non dormire la notte, e infatti la comunità scientifica che gira intorno a AMS-02 non dorme mai. Ogni secondo, 7 gigabit di dati vengono inviati a terra, elaborati e messi a disposizione dei ricercatori. In un anno, il grande spettrometro magnetico ha rilevato oltre 17 miliardi di particelle. Secondo alcuni, ci vorranno dieci anni prima di arrivare a una scoperta definitiva. Ma qualche anticipazione la potremmo avere anche prima. Certo è che, insieme a LHC, AMS-02 promette di conquistare presto le prime pagine dei giornali e scrivere nuove pagine dei manuali di fisica. Per noi profani, non ci resta che attendere.