Misurato lo spettro in energia dei raggi cosmici superenergetici
L'Osservatorio Pierre Auger, progetto che vede coinvolti più di 400 ricercatori da Istituti di Ricerca e Atenei di 17 Paesi, tra cui l'Università di Torino, ha misurato lo spettro in energia dei raggi cosmici di altissima energia.
I raggi cosmici ad altissima energia (UHECR) sono nuclei dei vari elementi chimici prodotti nei siti astrofisici come buchi neri, galassie starburst, nuclei galattici attivi, che raggiungono energie fino a 1020 eV, le più alte energie di particelle singole conosciute nell’Universo: si pensi che con la tecnologia attualmente disponibile, il più grande acceleratore di particelle al mondo, LHC al CERN di Ginevra, dovrebbe avere un’estensione pari all'orbita del pianeta Mercurio per raggiungere questa energia!
La ricerca delle sorgenti extragalattiche in grado di fornire energie tanto eccezionali e’ una delle piu’ aperte nel campo dell’astrofisica di alta energia, e si basa sulle misure di energia e composizione in massa dei raggi cosmici primari, sulla ricerca di disuniformità di flusso a diverse scale angolari e su studi di tipo multi-messaggero in combinazione con misure della radiazione elettromagnetica, neutrini e onde gravitazionali.
Il flusso di queste particelle è estremamente piccolo. Meno di una particella per secolo arriva su un'area di un km2. Sono quindi necessari grandi campi di vista per raccogliere una statistica sufficiente, ed apparati sperimentali in grado di misurare le caratteristiche delle cascate di particelle che tali raggi cosmici generano al loro passaggio nell’atmosfera.
L’Osservatorio Pierre Auger (situato a Malargüe, Argentina) è il più esteso e completo esperimento esistente per indagare l'origine e la natura dei raggi cosmici ad altissima energia. La combinazione delle informazioni ottenute da un apparato di superficie di 3000 km2 e da 27 telescopi a fluorescenza fornisce una capacità di ricostruzione avanzata e apre la strada a un approccio multi-messaggero.
Le distribuzioni di energia dei raggi cosmici contengono caratteristiche spettrali, cioè regioni energetiche limitate dove la pendenza dello spettro cambia rapidamente. L'identificazione e lo studio di queste caratteristiche è di grande importanza per comprendere i meccanismi astrofisici di accelerazione e propagazione che formano gli spettri.
L’analisi di oltre di 215,000 sciami atmosferici di raggi cosmici con energie superiori a 2.5×1018 eV osservati in circa 15 anni di acquisizione dati del rivelatore di superficie dell’Osservatorio ha permesso di ottenere la misura dello spettro energetico dei raggi cosmici ultra-energetici con alta statistica. “La misura presentata dalla Collaborazione è unica sia per la precisione statistica sia per l’ottimo controllo delle incertezze sistematiche. In particolare, grazie alle misure fornite dai telescopi di fluorescenza, si ottiene una stima calorimetrica dell’energia degli sciami che quindi non necessita di modellizzazioni teoriche difficilmente verificabili ad energie non raggiungibili in laboratorio” osserva Francesco Fenu (giovane ricercatore di UniTO e INAF-OATo, responsabile del gruppo di lavoro sulla misura dello spettro).
Grazie alla precisione della misura, è stata identificata una nuova caratteristica spettrale, un repentino cambio di pendenza a circa 1019 eV nella curva che descrive l’andamento dello spettro in funzione dell’energia. I risultati sono riportati in due recenti pubblicazioni (Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020) e Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)) della Collaborazione.
“Le caratteristiche dello spettro energetico possono essere descritte con diversi modelli astrofisici: le nostre misure suggeriscono una possibile interpretazione del flusso osservato e dei dati di composizione degli UHECR in uno scenario in cui le sorgenti iniettano particelle con una composizione di massa che cambia con l’energia”, spiega la dott. Antonella Castellina (INAF-OATo e INFN di Torino, co-spokesperson dell’esperimento).
L'Osservatorio Pierre Auger, progetto che vede coinvolti più di 400 ricercatori da Istituti di Ricerca e Università di 17 Paesi, sta attualmente effettuando un upgrade dei rivelatori, aggiungendo rivelatori a scintillazione e antenne radio alle stazioni di superficie esistenti.
Questo permetterà di ottenere maggiori informazioni sulla composizione di massa UHECR, estendendola alle più alte energie dove una possibile presenza di nuclei di massa leggera potrebbe aprire una nuova finestra alla ricerca di sorgenti sensibili alla composizione e allo studio dei campi magnetici cosmici.