AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)-02

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1 AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)-02 La fisica delle particelle va nello Spazio Data Lancio 19 Aprile 2011 Fine Missione 2020 Sito Web htpp:// ; htpp:// ; Descrizione L'Italia è in prima fila nella realizzazione di un ambizioso esperimento di fisica delle particelle che verrà condotto nello spazio, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale in orbita bassa attorno alla Terra. Si tratta di Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02),il cui scopo è studiare i raggi cosmici alla ricerca di nuclei di antimateria e tracce di nuove forme di materia non producibili in laboratorio. L'Italia ha contribuito in maniera determinante all esperimento AMS-02. Il nostro Paese, con Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è responsabile della realizzazione dei principali strumenti a bordo di AMS-02, il potente "cacciatore" di antimateria realizzato nel corso degli ultimi 10 anni da una grande collaborazione internazionale diretta dal premio Nobel Samuel S.C.C. Ting del MIT e del CERN ed il cui vice responsabile è un italiano, il Prof. Roberto Battiston dell Università ed INFN di Perugia. I ricercatori dell INFN hanno progettato e realizzato alcuni tra i principali sistemi di identificazione dei raggi cosmici - il time of flight, il rivelatore ad immagini Cherenkov, il calorimetro elettromagnetico, il tracciatore al silicio e gli star tracker - alla cui realizzazione ha contribuito, sotto la gestione dell'asi, l industria spaziale nazionale. Nel 1998 un prototipo dell'esperimento, AMS-01, ha realizzato un primo volo con successo sullo Shuttle. AMS-02 verrà portato in orbita il 19 aprile 2011 con l ultima missione dello Shuttle Endeavour, l'sts-134, per essere successivamente montato all esterno alla Stazione Spaziale Internazionale. Capace di identificare antiparticelle e antinuclei con una precisione di una parte per miliardo, AMS-02 si propone di diventare lo Hubble Space Telescope dei raggi cosmici, di cui misurerà la composizione nello spettro di energia compresa tra i 100 MeV e i 5 TeV. Basato sulle tecniche di rivelazione di particelle sviluppate negli esperimenti al CERN o presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell'istituto Nazionale di Fisica Nucleare, AMS-02 incorpora una

2 serie di rivelatori in grado di caratterizzare la tipologia di particelle dei raggi cosmici che passano attraverso la sua sezione sensibile tramite misure di carica, velocità, energia e direzione di moto, ricostruendone la traiettoria all interno del campo magnetico generato da un magnete permanente cilindrico (di campo dipolare residuo nullo, tale da non orientarsi al campo magnetico terrestre) che deflette i raggi cosmici carichi che lo attraversano. ASI e INFN collaborano e sostengono questo esperimento dal 1994, nell'ambito di una collaborazione internazionale che comprende 16 paesi, 60 istituti e oltre 600 ricercatori. I rivelatori di particelle sono stati progettati e costruiti con l'apporto dei ricercatori delle Sezioni INFN e dei Dipartimenti di Fisica delle Università di Bologna, Perugia, Pisa e Roma La Sapienza con il coinvolgimento di molte industrie, soprattutto PMI, italiane. La gestione a terra dei datiraccolti sarà a cura della sezione INFN di Milano Bicocca. Obiettivi scientifici Da AMS-02 si attendono risposte a problemi che stanno alla base della fisica delle particelle elementari: dalla ricerca dell antimateria primordiale allo studio della natura di un nuovo tipo di materia, detta oscura, che non emette luce come la materia normale, e della cui esistenza in proporzione 6 volte superiore si hanno inequivocabilmente prove indirette di carattere astrofisico ma non prove di rivelazione diretta. Lo strumento AMS-01 aveva raggiunto in soli dieci giorni di funzionamento la stessa sensibilità all antimateria ottenuta in decenni di misure con palloni stratosferici, identificando in meno di una parte per milione la proporzione frazione nei raggi cosmici dell antielio rispetto all elio; AMS-02, capace di effettuare la ricerca diretta di antinuclei con una sensibilità di una parte per miliardo, si propone di migliorare tale misura e di fare luce su uno della grandi questioni della cosmologia contemporanea, l apparente scomparsa dell antimateria primordiale. AMS-02 effettueràinoltre misure di precisione della composizione di tutte le componenti cariche dei raggi cosmici fino a una energia di circa 5 TeV, alla ricerca di eventi estremamente rari che sarà più probabile identificare anche in virtù dell estensione della vita operativa dello strumento passata dai tre anni inizialmente previsti agli almeno dieci anni che oggi l ISS è in grado di garantire.

3 AMS-02 al Kennedy Space Centre in attesa di essere imbarcato sullo Shuttle Endeavour Aspetti tecnologici AMS-02 è il più grande payload scientifico previsto per la ISS. Le sue dimensioni sono davvero notevoli: 64 metri cubi per un peso complessivo di 6,9 tonnellate. Il magnete cilindrico ha un campo di 0,15 Tesla, ovvero circa 3000 volte più intenso del campo magnetico medio della Terra. I rivelatori di particelle permettono, in tempi di poche centinaia di microsecondi, l'identificazione di ogni singolo raggio cosmico che attraversa lo spettrometro. Il sistema di trigger è in grado di misurare il tempo di volo dei raggi cosmici con una precisione di circa 160 picosecondi e preallerta gli altri rivelatori dell imminente passaggio di ciascuna particella. Il tracciatore al silicio è composto da 2500 placchette di silicio ultrapuro e misura il punto di passaggio di ciascuna particella con una precisione di pochi micrometri. Con i suoi 7 m2 di superficie, si tratta del più grande tracciatore di precisione mai realizzato per un esperimento spaziale. Il rivelatore ad anelli di luce Cherenkov (RICH), caratterizzato da un piano focale composto da più di pixel, ciascuno in grado di misurare un singolo fotone, è un rivelatore allo stato solido capace di misurare la velocità delle particelle con una precisione di una parte per mille. Infine, nella parte inferiore di AMS-02 si trova un calorimetro elettromagnetico del peso di oltre 600 kg, ECAL, formato da fibre scintillanti incollate con sottili strati di piombo. Derivato dall'esperimento Kloe sviluppato presso l INFN di Frascati, ECAL permette la misura dell' energia iniziale della componente elettromagnetica di alta energia con circa il 3% di precisione.

4 Completano l'esperimento un rivelatore di radiazione di transizione, TRD, in grado di separare elettroni e positroni dalla componente adronica fino a parecchie centinaia di GeV e una coppia di star tracker per fornire un puntamento preciso dell esperimento, necessario per la misura di gamma di alta energia con AMS-02. La rivelazione di questi segnali si basa su un elettronica di circa canali di lettura, pari al numero dei canali di elettronica dell intera ISS. La realizzazione di AMS-02 ha richiesto lo sviluppo e la qualificazione spaziale di numerose nuove tecnologie, molte delle quali sviluppate dalle industrie italiane e nei laboratori dell'infn, in

5 particolare presso il Laboratorio SERMS di Terni. Almeno tre spin-off hanno visto la luce dall incontro tra ricerca e le imprese coinvolte. Industrie italiane coinvolte: Carlo Gavazzi Space Milano G&A Engineering Carsoli (AQ) FBK-irst Trento SITAEL Aerospace Euromec Parma Ri-Ba Composites Faenza (RA) Carso Trieste Galli e Morelli Lucca