SPAZIO/ Se la materia oscura lascerà una firma, DAMPE la leggerà

- Michele Orioli

Cinesi nello spazio: in partenza il rivelatore di raggi cosmici della missione DAMPE dal deserto dei Gobi. Un progetto nato nel 2011. MICHELE ORIOLI ci spiega di cosa si tratta

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Missione DAMPE

Ha superato la campagna di test con fasci di elettroni, protoni e ioni condotta nella primavera scorsa presso il Cern di Ginevra su un modello di qualifica del tutto analogo a quello che sarà impiegato in volo: è il rivelatore di raggi cosmici della missione DAMPE (DArk Matter Particle Explorer), che sarà messo in orbita dal vettore cinese “Lunga Marcia 2D” dopo il lancio, nella tarda serata di domani, dal Jiuquan Satellite Launch Center nel deserto del Gobi in Cina. 

Il progetto DAMPE è nato nel 2011 come iniziativa della Chinese Academy of Sciences (CAS), una delle cinque missioni satellitari nel quadro del Programma di ricerca strategica in scienze spaziali; nel 2013 è diventato una collaborazione internazionale con l’adesione italiana – con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e le Università di Perugia, Bari e Lecce – e Svizzera con l’Università di Ginevra. I ricercatori europei, e in particolare gli italiani, hanno progettato e costruito il tracciatore in silicio e hanno predisposto gli strumenti di analisi dei dati.

Il satellite che partirà domani sera ha un peso totale di 1900 kg, il peso del carico utile è di 1400 kg e il suo consumo di potenza è di 400 W. Funzionerà come un potente telescopio spaziale per il rilevamento di raggi gamma ad alta energia, elettroni e raggi cosmici. Obiettivo principale dell’esperimento è infatti la ricerca della Dark Matter, la “materia oscura” che costituisce l’85% della materia dell’universo, contro il 15% di quella ordinaria; la missione quindi servirà per estendere le misure già effettuate dal Fermi-LAT (Large Area Telescope) e dall’AMS (Alpha Magnetic Spectrometer).

L’esistenza della materia oscura è dimostrata da molti fenomeni, come per esempio il moto delle stelle nelle galassie e gli effetti di “lente gravitazionale”; tuttavia, nonostante molti anni di ricerche, la sua natura rimane ancora un mistero e costituisce una delle questioni fondamentali della scienza moderna. Il principale obiettivo scientifico di DAMPE è quello di misurare elettroni e fotoni con risoluzione energetica molto più elevata e in un intervallo di energie in gran parte inesplorato dalle missioni precedenti, al fine di individuare possibili firme di materia oscura. 

Per elettroni e fotoni, il campo di rilevamento è di 5 GeV – 10 TeV (Gigaelettronvolt e Teraelettronvolt), con una risoluzione di circa l’1% a 800 GeV. Per raggi cosmici, il campo di rilevamento è di 100 GeV – 100 TeV, con una risoluzione migliore del 40% a 800 GeV. Il fattore geometrico è di circa 0,3 m2 sr per elettroni e fotoni e di circa 0,2 m2 sr per i raggi cosmici (dove sr è lo steradiante, che misura l’angolo solido); la risoluzione angolare è di 0,1 gradi a 100 GeV.

DAMPE ha anche grandi potenzialità nel far avanzare la nostra comprensione dell’origine e del meccanismo di propagazione dei raggi cosmici di alta energia, come pure per nuove scoperte nel campo dell’astronomia gamma alle alte energie. Le tecnologie utilizzate sono le più avanzate al mondo per la rivelazione di particelle elementari, spinte al massimo livello di qualità ed affidabilità per garantire una missione di lunga durata nello spazio.

L’apparecchiatura comprende un rilevatore scintillatore plastico a strisce (PSD) a doppio strato che serve come rivelatore anti-coincidenza, seguito da un inseguitore-convertitore in silicio-tungsteno (STK), formato da sei doppi strati di tracking; ciascuno di questi è costituito da due strati di rivelatori singoli di silicio che misurano le due viste perpendicolare alla direzione di puntamento del dispositivo. Tre strati di piastre di tungsteno, dello spessore di 1 mm, vengono inseriti davanti agli strati di inseguimento 2, 3 e 4 per la conversione dei fotoni. 

Il STK è seguito da un calorimetro per imaging, dello spessore di circa 33 lunghezze di radiazione, costituito da 14 strati di germanato ossido di bismuto (BGO) in una configurazione odoscopica (cioè che consente la localizzazione delle particelle e la ricostruzione del loro percorso). Uno strato di rivelatori a neutroni viene aggiunto sul fondo del calorimetro. Lo spessore totale del calorimetro BGO e del STK corrisponde a circa 33 lunghezze di radiazione, rendendolo così il calorimetro più profondo mai utilizzato nello spazio. Infine, per rilevare neutroni in ritardo e per migliorare il potere di separazione elettroni/protoni, appena sotto il calorimetro è posto un rivelatore di neutroni (NUD), costituito da 16 piastre di scintillatore plastico drogato con boro, ciascuno letto da un fotomoltiplicatore.

Il tracciatore di silicio – frutto dell’esperienza maturata in seno all’INFN nello sviluppo di rivelatori a microstrip di silicio – è una componente chiave dell’esperimento: permetterà, infatti, di misurare con grande accuratezza la direzione di arrivo dei fotoni e, allo stesso tempo, di differenziare le specie nucleari che compongono i raggi cosmici e la loro traiettoria.

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