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Quanta fisica c’è in una partita di ping pong o in un calcio di punizione? Come può la fisica aiutare un atleta a eseguire un tiro libero o una spaccata perfetti o a scalare una parete d’arrampicata? In occasione dell’inizio dei Giochi Olimpici Estivi 2024 a Parigi, sulla pagina Instagram dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (@infn_insights) e del progetto INFN ScienzaPerTutti (@infn_scienzapertutti) prende il via una campagna di comunicazione dedicata alla fisica dello sport.

Ogni venerdì da oggi, 26 luglio, fino al 30 agosto pubblicheremo un carosello che racconta la fisica che si nasconde dietro alcune delle discipline olimpiche: parleremo di ping pong, salto in alto, calcio, pallacanestro e ginnastica artistica.

Ad accompagnarci in questo racconto saranno i video che ragazzi e ragazze delle scuole superiori e medie di tutta Italia hanno realizzato in occasione del concorso del progetto INFN ScienzaPerTutti “Ci vuole il fisico!”, che ha richiesto a studenti e studentesse di scegliere uno sport e raccontarne la fisica. Saranno, infatti, proprio i loro video i protagonisti dei caroselli, che ci auguriamo possano essere di buon auspicio per tutti gli atleti e atlete italiani in gara a questi giochi olimpici. Buone olimpiadi a tutte e tutti!

SPES (Selective Production of Exotic Species) è uno dei progetti di punta dei Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN, al cui cuore c’è un ciclotrone per protoni. SPES ha come obiettivo la realizzazione di una innovativa infrastruttura di ricerca, dedicata sia a studi di fisica fondamentale sia a sviluppi di fisica interdisciplinare, in particolare per la produzione di radionuclidi di interesse medicale, per l’imaging e la terapia oncologica. La realizzazione del progetto è articolata in cinque fasi, la prima delle quali si è da poco conclusa con successo.
Iniziata dopo un periodo di fermo del ciclotrone, necessario alla modernizzazione dell’edificio e delle infrastrutture del progetto, questa prima fase (Fase 1) ha incluso diverse attività. Tra queste la costruzione e il test della nuova camera di plasma per la sorgente ionica, la sostituzione di parte degli amplificatori a radiofrequenza e la loro sintonizzazione, il condizionamento a radiofrequenza delle cavità e l’aggiornamento del sistema di controllo.
Il ciclotrone e la nuova linea di trasporto, recentemente installata, sono stati ottimizzati a tre differenti energie di estrazione: 35 MeV, 50 MeV e 70 MeV. I fasci di protoni alle tre energie sono stati quindi impiegati per irraggiare foglietti sottili di diversi materiali, come ad esempio un target di zinco naturale, che è stato irraggiato all’energia di 50 MeV e ha permesso l’osservazione del decadimento gamma del radionuclide teranostico rame-67.
Questo risultato ha segnato il completamento della Fase 1 di SPES, realizzato attraverso un approccio per fasi dell’implementazione del progetto e grazie alla totale dedizione di tutte le divisioni dei Laboratori. Seguendo lo stesso approccio, i Laboratori si stanno ora concentrando sulle prossime fasi che condurranno al completamento del progetto SPES: la produzione di fasci radioattivi a bassa energia per metà del 2025 (Fase 2), il collaudo di ADIGE come nuovo iniettore di fasci stabili per il complesso di acceleratori ALPI per metà del 2026 (Fase 3), la realizzazione di un’infrastruttura di produzione di radioisotopi (Fase 4) e la post-accelerazione di fasci radioattivi col complesso ADIGE-ALPI (Fase 5) entrambe per la fine del 2027.

Le capacità di rivelazione a bassa energia e il bassissimo rumore di fondo dell’esperimento XENONnT ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN hanno reso possibile la prima misura di neutrini solari da parte di un rivelatore di materia oscura.

In particolare, si tratta della misura di rinculi nucleari di bassa energia prodotti dall’interazione dei neutrini provenienti dal Sole con lo xenon contenuto nel rivelatore.  I neutrini  sono prodotti nelle reazioni nucleari che avvengono all’interno della nostra stella, quelli studiati coinvolgono l’elemento del boro.

Il risultato, presentato oggi, 10 luglio, al workshop internazionale IDM Identification of Dark Matter 2024 in corso all’Aquila, apre un nuovo capitolo nel campo della rivelazione diretta della materia oscura. Con questa misura, infatti, XENONnT inizia a esplorare la cosiddetta “nebbia di neutrini”, ossia a rivelare anche a quei segnali prodotti dalle interazioni dei neutrini con la massa sensibile dell’esperimento. Interazioni che rappresentano un rumore di fondo importante perché può imitare i segnali tipici della materia oscura. È quindi fondamentale misurare bene questa componente, per poter poi osservare i segnali di materia oscura in aggiunta ad essi.

Il processo osservato. I neutrini prodotti nel Sole possono interagire con i nuclei degli atomi di xenon del bersaglio di XENONnT tramite un processo chiamato diffusione elastica coerente neutrino-nucleo (CEnNS).  Questo processo, compreso dal modello standard e previsto nel 1974, era stato però misurato per la prima volta solo nel 2017, a causa dei rinculi a energia molto bassa e della natura sfuggente dei neutrini, grazie all’esperimento COHERENT che aveva osservato i neutrini ad alta energia prodotti dalla Spallation Neutron Source a Oak Ridge, in Tennessee. Il risultato ottenuto ora da XENONnT segna dunque la prima misura del processo CEnNS realizzata osservando neutrini di origine astrofisica, in particolare prodotti nei processi che avvengono nel nucleo del Sole e che coinvolgono l’elemento del boro. XENONnT, il cui obiettivo scientifico è la ricerca della materia oscura, si aggiunge così alla lista degli esperimenti in grado di osservare i neutrini solari, che tipicamente sono rivelatori di masse da 10 a 500 volte più grandi.

L’analisi dei dati. L’analisi si è basata sui dati raccolti da XENONnT in un periodo di due anni, dal 7 luglio 2021 all’8 agosto 2023, che equivale a un’esposizione totale di circa 3,5 tonnellate-anno. Con esposizione si intende la quantità di materiale che viene utilizzato per osservare le particelle e la durata della presa dati: per farsi un’idea, è un po’ come avviene nell’attività della pesca, dove si considerano la dimensione della rete e il tempo che bisogna lasciarla in mare per catturare i pesci. L’analisi ha mostrato un eccesso di eventi di rinculo nucleare a bassa energia rispetto al fondo previsto, compatibile con un segnale prodotto dalle interazioni dei neutrini solari di boro-8. Il segnale rivelato ha una significatività statistica di 2,7 sigma, che corrisponde a una probabilità di circa lo 0,35% che esso non sia reale, ma dovuto al fondo.

Le prestazioni dell’esperimento. Da tempo si prevede che i neutrini solari possano essere misurati tramite i rivelatori costruiti per cercare segnali di particelle candidate a costituire la materia oscura, quando questi rivelatori raggiungono esposizione e sensibilità sufficienti. La sensibilità rappresenta la capacità di un rivelatore di osservare anche le particelle più sfuggenti: proseguendo con la metafora della pesca, è un po’ come una rete a maglie molto fini dove anche i pesci più piccoli rimangono imbrigliati.

Osservare questo debole segnale, con energie appena rivelabili negli esperimenti a xenon liquido come XENONnT, richiede ottime prestazioni del rivelatore e sofisticati metodi di discriminazione segnale-rumore. La misura conferma quindi le eccellenti prestazioni di XENONnT nel rivelare segnali rari di bassa energia.

 

Immagine XENONn:parte superiore del rivelatore che ospita i fotosensori vista dall’interno ©Xenon Collaboration

 

 

 

 

La nuova intesa riunisce Università di Bologna, CINECA, CMCC, CNR, INAF, INFN e INGV, per mettere a sistema le tante competenze sui temi d’avanguardia della scienza quantistica, dalla ricerca fondamentale alle applicazioni scientifiche e industriali

Il futuro delle scienze e delle tecnologie quantistiche trova a Bologna un nuovo punto di riferimento a livello nazionale ed europeo. È la Bologna Quantum Alliance (BOQA): un’intesa che riunisce Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, Consorzio Interuniversitario CINECA, Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici (CMCC), Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV).

Siglato alla vigilia del G7 Scienza e Tecnologia, ospitato al Tecnopolo di Bologna, l’accordo mette a sistema le tante competenze distribuite sul territorio nazionale legate a temi d’avanguardia della scienza quantistica, dalla ricerca fondamentale alle applicazioni scientifiche e industriali.

In questo modo, grazie al ruolo di coordinamento svolto dall’Alma Mater, la Bologna Quantum Alliance potrà dare un forte impulso allo sviluppo dell’intera filiera quantistica, promovendo ambiti strategici come quello dei computer quantistici, delle comunicazioni quantistiche sicure e della sensoristica quantistica di precisione. Un nuovo fondamentale tassello che va ad arricchire l’ecosistema dell’innovazione bolognese e dell’Emilia-Romagna.

Temi centrali per lo sviluppo tecnologico e sociale come quelli dei Big Data, del supercalcolo e dell’Intelligenza Artificiale potranno così fondersi insieme alle enormi potenzialità delle scienze quantistiche, con applicazioni possibili in molteplici campi tra cui la salute, la climatologia, le scienze della terra e l’innovazione industriale.

Con la Bologna Quantum Alliance nasceranno progetti congiunti, attività comuni per favorire l’innovazione sul fronte della ricerca fondamentale e applicata, e collaborazioni con le aziende, anche mirate al trasferimento tecnologico.

Senza dimenticare il campo, altrettanto centrale, della formazione: saranno messi a punto percorsi di formazione sulle scienze quantistiche per studentesse e studenti, per la qualificazione di ricercatrici e ricercatori e per l’aggiornamento delle figure professionali. E ci saranno anche attività di comunicazione e di divulgazione sul mondo delle tecnologie quantistiche a livello locale e nazionale.

A partire dalle numerose iniziative su queste tematiche già avviate dai partner fondatori, la Bologna Quantum Alliance punterà ad ampliare ulteriormente il suo raggio d’azione, coinvolgendo altre realtà presenti in Emilia-Romagna, in Italia e in altri paesi europei. L’orizzonte è infatti quello tracciato dalla “European Declaration on Quantum Technologies”, con l’obiettivo di contribuire a rendere l’Europa una regione leader a livello globale nell’ambito delle scienze e tecnologie quantistiche.

 

Immagine ©CNR

Il 114° meeting plenario del Comitato Europeo per gli Acceleratori del Futuro (ECFA) si è svolto tra il 4 e 5 luglio presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. All’evento hanno partecipato più di 60 rappresentanti del Comitato, composto da 29 Stati membri e dal CERN, tra cui Fabiola Gianotti, la direttrice generale del grande centro di ricerca europeo.

I meeting plenari dell’ECFA si tengono due volte all’anno e sono destinati a condividere con l’intero comitato e, per estensione, con la più ampia comunità della fisica delle particelle, lo stato attuale dei piani per le principali iniziative di fisica ad alta energia in Europa. Inoltre, ogni due anni, l’ECFA organizza il meeting estivo presso uno dei centri di ricerca che lavorano in prima linea per lo sviluppo degli acceleratori europei.

“Si tratta di una tradizione interrotta dalla pandemia e ripresa con l’attuale incontro presso i Laboratori Nazionali di Frascati, che continuano ad essere all’avanguardia nella scienza e nella tecnologia anche al di fuori dell’Europa”, commenta Paraskevas Sphicas, chair di ECFA.

“Questo meeting a Frascati è un modo per sottolineare l’impegno del nostro laboratorio a rimanere protagonista nell’elaborazione della strategia per il futuro della fisica delle particelle in Europa,” aggiunge Fabio Bossi, direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati.

Il meeting plenario di ECFA è stato preceduto il 3 luglio dal primo meeting italiano del gruppo ECFA Early Career Researcher (ECFA-ECR), il cui obiettivo è stato quello di avviare una discussione sul futuro della ricerca nel campo degli acceleratori di particelle, ponendo particolare attenzione sui percorsi professionali. Parte dell’evento è stata dedicata alla creazione di una rete italiana di ricercatori e ricercatrici a inizio carriera volta a promuovere un dialogo costruttivo intergenerazionale in vista della Strategia Europea.

L’INFN ha assegnato i premi 2023 per le migliori tesi di dottorato nelle cinque aree di ricerca dell’Istituto: fisica subnucleare, astroparticellare, nucleare, teorica e tecnologica, e su attività di ricerca e sviluppo nell’ambito del calcolo. I premi, del valore di 2.000 euro ciascuno e assegnati dalle cinque Commissioni Scientifiche Nazionali (CSN) e dalla Commissione Calcolo e Reti (CCR) dell’INFN, sono intitolati alla memoria di illustri fisici italiani o colleghi dell’INFN: Marcello Conversi, Bruno Rossi, Claudio Villi, Sergio Fubini, Francesco Resmini e Giulia Vita Finzi.

 

 

 

A Paolo Girotti, dell’Università di Pisa, e Antonello Pellecchia, dell’Università di Bari, va il premio Marcello Conversi per le migliori tesi di dottorato nel campo della fisica subnucleare. Assegnato dalla CSN1, il riconoscimento premia le due tesi dal titolo “Measurement of the muon anomalous precession frequency at the Muon g-2 Experiment at Fermilab” e “Performance of micro-pattern gaseous detectors at the LHC and future collider experiments”.

Con questo premio l’INFN rende omaggio alla figura di Marcello Conversi, protagonista negli anni della Seconda guerra mondiale, insieme a Ettore Pancini e Oreste Piccioni, di un esperimento fondamentale che portò alla scoperta del muone e segnò di fatto la nascita della fisica delle alte energie.

 

 

Il premio Bruno Rossi, dedicato alle migliori tesi di dottorato in fisica astroparticellare, è stato assegnato a Raffaele Di Vora, dell’Università di Siena, e Samuele Ronchini, del Gran Sasso Science Institute per le tesi dal titolo “High frequency Dark Matter axion search with very high-quality factor dielectric resonators in the QUAX-aγ experiment” e “Probing the physics of gamma-ray bursts through high-energy and multi-messenger observation”.

L’INFN ricorda con questo premio Bruno Rossi, scienziato che ha dato contributi fondamentali alla fisica delle particelle elementari mediante lo studio dei raggi cosmici, tra i primi a scoprire sorgenti di raggi X al di fuori del Sistema Solare e che ha identificato il decadimento del muone e ne ha misurato la vita media.

 

 

La CSN3 ha assegnato il premio Claudio Villi a Marta Polettini, dell’Università di Milano, e a Francesco Mazzaschi, dell’Università di Torino, per le tesi “Beta Decay studies as a tool to investigate nuclear structure in the n-rich Po-Fr region and in p-rich Cd isotopes” e “Unveiling the (anti-)hypertriton properties with ALICE at the LHC”, giudicate come migliori tesi di dottorato nel campo della fisica nucleare.

Con questo premio l’INFN ricorda Claudio Villi, titolare della prima cattedra italiana di fisica nucleare all’Università di Padova. A Villi si deve l’idea di creare i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’INFN e l’attuale modello organizzativo dell’Istituto, che prende forma durante il suo mandato di presidente (1970-1975).

 

    

Luca Caloni, dell’Università di Ferrara, Sara Murciano, della SISSA di Trieste, e Ludovico Vittorio, della Scuola Normale Superiore di Pisa, hanno ricevuto il premio Sergio Fubini dalla CSN4. Le loro tesi sono state reputate le migliori nel campo della fisica teorica e sono intitolate “Charting new physics territories with cosmological observations”, “Entanglement and symmetries in many-body quantum systems” e “The D(M)M perspective on Flavour Physics”.

Questo premio è stato istituito dall’INFN per rendere omaggio al fisico teorico torinese Sergio Fubini, scomparso nel 2005, che ha dato significativi contributi alla teoria dei campi e alla teoria delle stringhe.

 

 

Premiate dalla CSN5 le migliori tesi di dottorato in fisica degli acceleratori e delle nuove tecnologie. Il premio Francesco Resmini va a Francesca Lizzi, della Scuola Normale Superiore di Pisa, e a Giulia Marcucci, dell’Università di Milano Bicocca, per le tesi “Development and discussion of deep learning algorithms for breast density classification and for COVID-19 lesions quantification on CT scans” e “New advances in neutron imaging techniques and a quantitative development of Neutron Resonance Transmission Imaging”.

Il riconoscimento è dedicato a Francesco Resmini, tra i pionieri degli studi sulle macchine acceleratrici e sulla fisica applicata per la diagnostica ambientale e medica.

 
 

 

Il premio Giulia Vita Finzi, attribuito dalla Commissione Calcolo e Reti, per la migliore tesi di laurea magistrale su attività di ricerca e sviluppo nell’ambito del calcolo dell’INFN, è stato assegnato a Francesco Vaselli, dell’Università di Pisa, per la tesi “FlashSim: A Deep Learning solution to the HEP simulation problem”.

Il premio è dedicato alla memoria di Giulia Vita Finzi, colonna portante della Commissione Calcolo e Reti e del CNAF, e uno dei primi web master dell’INFN negli anni pionieristici per queste attività e ricerche tecnologiche.

Si rafforza la candidatura italiana per la costruzione di Einstein Telescope in Sardegna. Il ministro dell’università e della ricerca, Anna Maria Bernini, ha firmato oggi, 2 luglio, a Olbia, in Sardegna, un’intesa con il viceministro spagnolo della scienza, ricerca e innovazione, Juan Cruz Cigudosa, che prevede il sostegno della Spagna alla proposta italiana.

“L’accordo firmato oggi con la Spagna – ha detto il ministro Bernini – rafforza la proposta italiana di realizzare Einstein Telescope nel nostro Paese, in Sardegna, al centro del Mediterraneo. Ringrazio il viceministro Cigudosa per essere venuto a Olbia per firmarlo proprio nella Regione dove vogliamo realizzare l’infrastruttura. Il Governo sta sostenendo convintamente il progetto come dimostra l’impegno finanziario di 950 milioni già assunto nei mesi scorsi. Si tratta di una scelta strategica per un Paese che vogliamo sempre più ambizioso e attrattivo. L’Italia è leader nel mondo per la fisica e questa intesa dimostra l’altissima credibilità scientifica a livello internazionale di cui gode il nostro Paese. ET – ha concluso il ministro – darà un impulso decisivo al programma di rafforzamento dell’ecosistema della ricerca che vogliamo sempre più attrattivo”. 

“La candidatura della Sardegna a ospitare Einstein Telescope diventa sempre più forte”, sottolinea anche il presidente dell’INFN Antonio Zoccoli. “La sottoscrizione dell’accordo di cooperazione scientifica tra Italia e Spagna rappresenta un importantissimo riconoscimento internazionale del valore della nostra proposta, che si fonda da un lato sulla qualità, unica nel panorama europeo, del sito sardo, dall’altro sulla comprovata competenza ed esperienza della comunità scientifica italiana nella ricerca sperimentale delle onde gravitazionali, da Edoardo Amaldi ai successi dell’attuale interferometro europeo Virgo, che si trova proprio in Italia. Ringraziamo il Ministro Bernini e tutto il Governo per il loro grande impegno, e siamo fiduciosi che la nostra proposta raccoglierà un sempre più ampio consenso internazionale”, conclude Zoccoli.

Italia e Spagna hanno sottoscritto un memorandum of understanding di più ampia portata con il quale i due Paesi si impegnano a rafforzare il proprio rapporto di collaborazione attraverso una serie di attività. In particolare, il nostro Paese supporterà la realizzazione nel Paese iberico del progetto IFMIF-DONES, una sorgente di neutroni a sito unico dedicata ai materiali innovativi per la fusione nucleare, inclusa, dal 2018, nella Roadmap dell’European Strategic Forum for Research Infrastructures (ESFRI). 

 

 

 

 

 

Nel corso di un incontro sulla cooperazione tra Italia e Giappone in campo scientifico e tecnologico, il ministro dell’Università e della Ricerca Anna Maria Bernini e il ministro giapponese dell’Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia Masahito Moriyama hanno annunciato l’avvio di un importante progetto di ricerca sulle onde gravitazionali. L’obiettivo è sviluppare tecnologie d’avanguardia per Einstein Telescope, futuro osservatorio di onde gravitazionali di terza generazione, che sarà realizzato in Europa e che l’Italia è candidata a ospitare in Sardegna, e per l’esperimento giapponese KAGRA, che fa parte della rete di rivelatori gravitazionali attualmente in funzione, insieme agli esperimenti LIGO, negli Stati Uniti, e Virgo, in Italia. L’accordo si inserisce nel contesto del piano d’azione bilaterale sugli ambiti prioritari di cooperazione per il periodo 2024-2027, firmato dal presidente del Consiglio Giorgia Meloni e dal premier giapponese Fumio Kishida a margine del G7 in Puglia.

Il nuovo progetto di ricerca, che sarà guidato dall’INFN in collaborazione con l’Institute of Cosmic Ray Research dell’Università di Tokyo, nasce sulla base di una collaborazione attiva già da tempo tra l’INFN e l’ateneo giapponese, in particolare nello studio delle proprietà dei neutrini e nella ricerca di nuova fisica, con esperimenti attivi sia in Italia sia in Giappone. In questo caso, la collaborazione riguarderà soprattutto lo sviluppo di tecnologie criogeniche, necessarie a raffreddare fino a temperature estremamente basse gli specchi del rivelatore gravitazionale. KAGRA, tra gli esperimenti attualmente in corso, è l’unico sotterraneo e il solo a usare tecniche criogeniche per il raffreddamento degli specchi: due caratteristiche che lo accomunano al futuro Einstein Telescope. L’esperienza dei ricercatori giapponesi nello studio di soluzioni criogeniche efficaci per un’infrastruttura sotterranea, affinata negli ultimi anni, potrà essere quindi molto preziosa per la comunità scientifica di ET, che avrà necessità di tecnologie ancora più all’avanguardia per raggiungere la sensibilità prevista (oltre dieci volte superiore a quella degli osservatori attuali). Al tempo stesso, il progetto di ricerca permetterà lo scambio di idee, conoscenze e sviluppi tecnologici comuni che potranno essere utili anche alla stessa collaborazione KAGRA, che nei prossimi anni avrà l’obiettivo di aumentare la sensibilità dell’esperimento. Le attività inizieranno nel 2024 e dureranno tre anni, con l’obiettivo di rendere la collaborazione ancora più solida e proseguire anche in futuro.

Parallelamente al progetto sulle onde gravitazionali, i due Paesi hanno avviato anche un secondo progetto di ricerca guidato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), sul tema dello stoccaggio dell’energia.

 

 

 

L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), cui per l’Italia partecipano l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’ASI Agenzia Spaziale Italiana, osserva il cielo dalla Stazione Spaziale Internazionale ininterrottamente dal maggio 2011 e ha raccolto, dall’inizio delle operazioni, 230 miliardi di raggi cosmici, ovvero particelle cariche (come protoni, elettroni, nuclei e antiparticelle) di alta energia provenienti dallo spazio. Identificandone accuratamente tipologia ed energia, e distinguendo specie pesanti da specie leggere, la collaborazione AMS ha scovato inattese asimmetrie.

In un lavoro pubblicato ieri sulla rivista Physical Review Letters, la collaborazione scientifica AMS ha incrociato le capacità di diversi sottorivelatori per distinguere nei raggi cosmici particelle con carica simile ma massa diversa. Sono state separate con grande precisione quattro specie nucleari – i protoni, i nuclei di deuterio (detti deutoni e costituiti da 1 protone e 1 neutrone), i nuclei di elio-3 (composti da 2 protoni e 1 neutrone) e quelli di elio-4 (2 protoni e 2 neutroni) – e sono state misurate le proprietà delle specie più rare, i deutoni e i nuclei di elio-3.

“Deutoni ed elio-3 si trovano in quantità significativa nei raggi cosmici, perché sono per la maggior parte prodotti da nuclei di elio-4 energetici che, colpendo il gas interstellare, producono questi frammenti più leggeri”, spiega Alberto Oliva responsabile nazionale di AMS per l’INFN. AMS ha osservato, tuttavia, che la loro comune origine non si traduce in una simile dipendenza dell’intensità di flusso dalla loro energia: deutoni e nuclei di elio-3 si comportano in modo differente. “La differenza tra deutoni ed elio-3 non è prevista dai modelli teorici attuali e suggerirebbe la presenza di una sorgente addizionale di deutoni”, conclude Oliva. La sorgente non è ancora stata identificata, ma la conferma della sua presenza potrebbe condurre a un ulteriore avanzamento nella comprensione dei meccanismi di origine, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici.

Da anni, i risultati prodotti dall’analisi dei dati dell’esperimento AMS-02 forniscono informazioni scientifiche originali e inattese e, nel 2022, si è deciso di potenziare l’esperimento per accumulare eventi 3 volte più velocemente rispetto al passato. Il potenziamento consisterà nell’installare, al di sopra del rivelatore già esistente, un ulteriore piano di rivelazione: una struttura di fibra di carbonio di circa 2,6 metri di diametro, equipaggiata su entrambe le facce con rivelatori a microstrip di silicio. Verrà raggiunta una superficie totale di rivelazione di 8 m² e i sensori saranno in grado di misurare con precisione il punto di passaggio delle particelle entranti in AMS. Questo consentirà di sfruttare a pieno il tempo di vita di AMS e di aggiungere in pochi anni un quantitativo di dati tale da migliorare in maniera significativa i risultati già ottenuti.

AMS è una collaborazione internazionale che coinvolge 44 istituzioni di America, Europa e Asia, ed è sostenuta dal DOE Department of Energy statunitense e dalla NASA. L’INFN e l’ASI hanno svolto – e continueranno a svolgere anche in fase di potenziamento – un ruolo di primo piano nella progettazione e realizzazione di tutto lo strumento, e supportano i gruppi italiani nelle loro attività operazionali e di analisi dati. Le ricercatrici e i ricercatori italiani delle sedi dell’INFN, dell’ASI, e delle Università di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Pisa, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata e Trento sono responsabili della realizzazione, del mantenimento e delle operazioni dei principali strumenti di bordo, e partecipano in prima persona all’analisi scientifica dei dati raccolti dallo strumento. I dati pubblicati dalla collaborazione AMS dall’inizio delle operazioni sono resi disponibili alla comunità scientifica tramite il Cosmic Ray Database, ospitato dallo Space Science Data Center dell’ASI.

Il rilascio di energia gravitazionale nei sistemi binari è tra i processi fisici più potenti dell’Universo. I sistemi binari che emettono raggi X sono costituiti da un oggetto compatto (un buco nero o una stella di neutroni) e da una stella compagna da cui viene risucchiato del gas. Fino ad oggi sono state identificate alcune centinaia di queste sorgenti nella nostra Galassia. Ad identificarle il satellite Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) realizzato da NASA e Agenzia Spaziale Italiano (ASI), con il contributo sostanziale dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e OHB-Italia.

Tra i primi sistemi binari a raggi X scoperti nel cosmo c’è Cygnus X-3 che, fin dai primi anni ’70, è noto per diventare molto brillante in banda radio, salvo poi affievolirsi in pochi giorni. Questa sua peculiare caratteristica ha stimolato gli scienziati di tutto il mondo ad effettuare le prime indagini astronomiche coordinate. Il comportamento unico della sorgente durante questi rapidi eventi altamente energetici ha portato nel 1973 R.M. Hjellming a definirlo “il puzzle astronomico Cygnus X-3”. Da allora numerosi sforzi sono stati compiuti per comprendere meglio la sua natura e anche il satellite italiano AGILE e la missione, con importante partecipazione italiana, Fermi della NASA hanno rivelato alcuni anni fa un’emissione nei raggi gamma proveniente da questa sorgente.

Il punto di svolta nella soluzione di questo puzzle astrofisico è stata l’osservazione di Cygnus X-3 con il satellite IXPE. Secondo Alexandra Veledina, ricercatrice presso l’Università di Turku e autrice principale dello studio, l’uso della polarizzazione nei raggi X ha fornito informazioni cruciali sulla geometria del materiale in prossimità del buco nero centrale. Alexandra Veledina spiega: “Abbiamo scoperto che l’oggetto compatto è circondato da un involucro di materia densa e opaca. La luce che osserviamo è un riflesso dalle pareti interne di un “imbuto” simile ad una “tazza” con l’interno a specchio.

Spiega Fabio Muleri, primo ricercatore dell’istituto INAF-IAPS e secondo autore dell’articolo:
“Sapevamo che Cyg X-3 fosse una sorgente “particolare”, ma siamo comunque rimasti a bocca aperta quando l’abbiamo osservata con gli occhi di IXPE, che ci hanno permesso per la prima volta di osservare la polarizzazione, ovvero il grado di ordine, dei raggi X che emette. Il valore misurato, pari ad oltre il 20%, non può essere spiegato con nessun modello applicabile alle altre sorgenti di questo tipo e quindi ne abbiamo dovuto sviluppare uno appositamente. Questo si basa sull’assunzione che non osserviamo la luce emessa direttamente, ma quella che arriva a noi dopo essere stata riflessa da un “muro” formato dalla materia che sta cadendo nel buco nero”.

Questa scoperta ha portato alla classificazione di Cygnus X-3 come una sorgente di raggi X ultra-luminosa (ULXs): la sorgente riesce ad inghiottire così tanto gas così rapidamente che una parte di questo non viene catturata del buco nero, ma viene invece espulsa dal sistema stesso. “Le ULXs sono tipicamente osservate come puntini luminosi nelle immagini delle galassie lontane. Le loro emissioni sono amplificate dall’imbuto che circonda l’oggetto compatto, agendo perciò come un megafono”, spiega Juri Poutanen, del Dipartimento di Fisica e Astronomia e co-autore della ricerca. “Tuttavia, a causa delle enormi distanze di queste sorgenti, esse appaiono relativamente deboli ai telescopi a raggi X. La nostra scoperta ha ora svelato un corrispettivo estremamente luminoso di queste lontane ULXs anche all’interno della nostra stessa Galassia”.

“La materia densa e opaca che porta ad una polarizzazione così alta nei raggi X era stata osservata finora solo in buchi neri supermassicci, che hanno masse milioni di volte più grandi. Questo rende l’osservazione IXPE di Cygnus X-3 unica, poiché mette in relazione oggetti compatti di qualche massa solare con quelli più massicci al centro di galassie lontane come Circinus e NGC 1068”, riporta Andrea Marinucci, ricercatore dell’Agenzia Spaziale Italiana.

 

Rappresentazione di IXPE ©NASA