Le particelle dei raggi cosmici iniziano tutte a svanire nello stesso identico punto

I raggi cosmici sono le particelle con la più alta energia mai osservate in natura. Trasportano molta più energia delle particelle prodotte anche dagli acceleratori più avanzati sulla Terra. Gli scienziati ritengono che siano generati da alcuni degli eventi più violenti dell’universo, tra cui esplosioni di supernove, getti provenienti da buchi neri e pulsar.

Lanciato nel dicembre 2015, il telescopio spaziale DAMPE è stato progettato per studiare la natura dei raggi cosmici ed esplorare possibili connessioni con la materia oscura. La missione include importanti contributi del gruppo di astrofisica del Dipartimento di Fisica Nucleare e delle Particelle (DPNC) dell’Università di Ginevra (UNIGE).

Esaminando i dati estremamente precisi raccolti da DAMPE, i ricercatori hanno scoperto uno schema universale negli spettri energetici dei nuclei primari dei raggi cosmici, che vanno dai protoni leggeri ai nuclei di ferro, molto più pesanti.

“I raggi cosmici sono composti principalmente da protoni, ma anche da nuclei di elio, carbonio, ossigeno e ferro”, spiega Andrii Tykhonov, professore associato presso il DPNC della Facoltà di Scienze dell’UNIGE e coautore dello studio. “Queste particelle sono inoltre classificate in base alla loro energia: bassa, fino a pochi miliardi di elettronvolt; intermedia, da pochi miliardi a diverse centinaia di miliardi di elettronvolt; e alta, da 1.000 miliardi di elettronvolt in su.”

Gli scienziati scoprono uno schema comune di raggi cosmici

La ricerca ha dimostrato che per ogni tipo di nucleo studiato, il numero di particelle inizia a diminuire molto più rapidamente dopo aver raggiunto una certa soglia. Gli scienziati si riferiscono a questo effetto come “ammorbidimento spettrale”.

Normalmente, i raggi cosmici ad alta energia diventano meno comuni all’aumentare dell’energia. Tuttavia, le osservazioni di DAMPE hanno rivelato che il declino diventa drasticamente più ripido oltre una rigidità di circa 15 TV (teraelettronvolt). La rigidità descrive la forza con cui la traiettoria di una particella resiste alla deviazione da parte dei campi magnetici.

Poiché questa stessa caratteristica si manifesta in molti tipi diversi di particelle, i risultati supportano fortemente le teorie che suggeriscono che l’accelerazione e il movimento dei raggi cosmici nello spazio siano controllati dalla rigidità. Allo stesso tempo, i dati escludono in larga misura le spiegazioni alternative basate sull’energia per nucleone (energia divisa per il numero di nucleoni nella particella). Secondo i ricercatori, il livello di confidenza contro questi modelli alternativi raggiunge il 99,999%.

L’intelligenza artificiale e i rilevatori avanzati contribuiscono a guidare la scoperta

I ricercatori di Ginevra hanno svolto un ruolo fondamentale in questa scoperta. Il team ha sviluppato sofisticati metodi di intelligenza artificiale per ricostruire gli eventi di particelle rilevati dal telescopio. Hanno inoltre contribuito a importanti misurazioni relative ai flussi di protoni ed elio e hanno aiutato ad analizzare i dati sui nuclei di carbonio.

Inoltre, il gruppo di Ginevra ha guidato lo sviluppo di uno degli strumenti chiave di DAMPE, il rivelatore Silicon-Tungsten Tracker (STK). Questo rivelatore è essenziale per tracciare con precisione le traiettorie delle particelle e determinare la carica elettrica dei raggi cosmici in arrivo.

I risultati rappresentano un importante passo avanti nella comprensione di come si formano i raggi cosmici e di come si propagano attraverso la galassia. Gli scienziati affermano che i nuovi risultati pongono limiti più stringenti ai modelli esistenti di accelerazione delle particelle nelle sorgenti astrofisiche e migliorano la nostra comprensione di come le particelle ad alta energia si muovono nello spazio interstellare.