Il Pierre Auger Observatory è il progetto scientifico leader a livello mondiale per l’esplorazione dei raggi cosmici. Più di 500 scienziati di 16 paesi lavorano insieme per studiare i raggi cosmici a più alta energia misurando le proprietà degli acquazzoni prodotti nell’atmosfera.
L’Osservatorio si trova vicino a Malargüe (Argentina) e da più di dieci anni rileva raggi cosmici di altissima energia. Un accordo internazionale è stato firmato nel novembre 2015 dai rappresentanti dell’agenzia di finanziamento della scienza per continuare l’operazione fino al 2025.
La caratteristica essenziale dell’Osservatorio è il suo design ibrido, una combinazione di un ampio array di superficie e un rivelatore di fluorescenza. Il rivelatore di superficie (SD) è composto da 1600 unità Cherenkov ad acqua, distanziate di 1500 m, che coprono un’area totale di 3000 km2. Il rivelatore a fluorescenza è costituito da 24 telescopi che si affacciano sulla matrice di superficie.
L’osservazione simultanea degli sciami con diverse tecniche consente studi ad alta statistica e alta precisione e l’enorme estensione dell’array SD permette di rilevare gli eventi molto rari a ~10^20 eV, il cui flusso è ~1 particella/km^2 /secolo. La configurazione di base dei rivelatori è stata migliorata con una serie più piccola e densa di unità SD e con telescopi a fluorescenza ad alta quota per ridurre l’energia della doccia minima rilevabile fino a ~10^17 eV.
L’Osservatorio Pierre Auger ha prodotto notevoli progressi nelle misurazioni dei raggi cosmici. La brusca soppressione dello spettro energetico al di sopra di 5 x 10^19 eV è stata inequivocabilmente osservata. Questo è stato previsto da tempo come conseguenza dell’interazione delle particelle dei raggi cosmici con i fotoni a bassa energia del Fondo Cosmico a Microonde.
La cosiddetta caviglia, ovvero l’appiattimento dello spettro a 5 x 10^18 eV, è stata misurata con una precisione senza precedenti. Le misurazioni FD del profilo della doccia longitudinale hanno confermato che la composizione della massa è principalmente costituita da primarie leggere intorno alla caviglia e hanno fornito prove di uno spostamento inaspettato verso primarie più pesanti alle più alte energie. Un risultato coerente con la mancata evidenza di anisotropia o di associazione con sorgenti astrofisiche della direzione di arrivo dei raggi cosmici.
Limiti molto stringenti al flusso di fotoni e neutrini hanno permesso di escludere la maggior parte dei modelli cosiddetti top-down, in cui i raggi cosmici sono generati dal decadimento della materia oscura super pesante o da difetti topologici o particelle esotiche simili, favorendo scenari in quale l’accelerazione delle primarie avviene nelle sorgenti astrofisiche.
La natura tridimensionale delle unità SD ha permesso di studiare le docce inclinate a grandi angoli zenitali. In questi sciami arrivano a terra solo muoni e il confronto delle misurazioni con le simulazioni Monte Carlo ha fornito un potente test dei modelli di interazione adronica estrapolati ad energie di ordini di grandezza maggiori di quella raggiungibile a LHC.
A causa del ciclo di lavoro ridotto dell’FD, la composizione in massa dei raggi cosmici nella regione di soppressione rimane inesplorata.
Per risolvere questo problema la collaborazione Auger ha pianificato un aggiornamento della SD chiamato AugerPrime. Rivelatori a scintillatore plastico saranno installati sulla parte superiore di ciascuna unità SD. Combinando le diverse risposte degli scintillatori e dei rivelatori ad acqua Cherenkov alla componente elettromagnetica e muonica dello sciame, sarà possibile stimare la composizione della massa alle altissime energie ed effettuare studi di anisotropia dei primari luminosi.