Analizzando i dati raccolti tra maggio 2011 e aprile 2021 dall’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, gli scienziati hanno scoperto che lo strumento ha rivelato una quantità anomala di raggi cosmici costituiti da deuteroni, ovvero nuclei atomici formati da un protone e un neutrone (idrogeno pesante).

L’AMS, un esperimento di fisica delle particelle assemblato al CERN e attualmente nella sua versione AMS-02 sulla Stazione, ha rilevato oltre 238 miliardi di raggi cosmici di particelle di vario tipo, da quando ha iniziato a raccogliere dati nel 2011. Di questi, ben 21 milioni sono costituiti da deuteroni. Un numero troppo elevato, soprattutto in rapporto all’elio-4, rispetto a quanto gli scienziati si aspettavano.

Perché sono importanti i raggi cosmici di deuteroni?

I raggi cosmici sono flussi di particelle cariche che viaggiano attraverso lo spazio, e si dividono in due classi principali:

1. I raggi cosmici primari. Sono emessi direttamente da fonti cosmiche come le esplosioni di supernova, regioni ad alta energia dell’universo in cui il materiale stellare viene espulso violentemente. Questi eventi catastrofici forniscono l’energia necessaria per accelerare le particelle, come protoni, elettroni e nuclei atomici, a velocità prossime a quella della luce. Le particelle che ne derivano viaggiano per migliaia o milioni di anni attraverso lo spazio, attraversando galassie e raggiungendo anche la Terra.
2. I raggi cosmici secondari. Questi non provengono direttamente da fonti cosmiche. Infatti si formano quando i raggi cosmici primari interagiscono con il mezzo interstellare, composto da gas, polvere e particelle presenti tra le stelle. Durante queste interazioni, avvengono collisioni che generano nuove particelle, come muoni, pioni o nuclei più leggeri. Queste particelle secondarie possono avere diverse proprietà rispetto alle primarie, e sono solitamente meno energetiche, poiché parte dell’energia viene persa durante la collisione.

Tra le particelle che compongono i raggi cosmici troviamo anche i deuteroni, ovvero nuclei di deuterio, un isotopo dell’idrogeno, costituiti da un protone e un neutrone.

La loro presenza nei raggi cosmici è un importante indizio per comprendere i processi di nucleosintesi stellare e l’evoluzione delle galassie. Infatti, i modelli prevedono che i deuteroni siano stati creati poco dopo il Big Bang. Studiando i deuteroni nei raggi cosmici, gli scienziati possono ottenere informazioni preziose sulle condizioni energetiche dell’Universo, e sulla natura delle particelle subatomiche.

Un numero anomalo di conteggi per AMS

Si pensa che i deuteroni si formino in modo simile ai nuclei di elio-3, attraverso collisioni tra nuclei primari di elio-4 e altre particelle presenti nel mezzo interstellare. Secondo questa teoria, il rapporto tra deuteroni ed elio-4 dovrebbe quindi seguire un andamento simile a quello tra elio-3 ed elio-4.

Tuttavia, i dati raccolti dall’AMS hanno rivelato che le cose non stanno così. In realtà, al di sopra di una rigidità (un parametro che misura l’energia delle particelle cariche) di 4.5 GigaVolt (GV), il rapporto tra deuteroni ed elio-4 si comporta in modo diverso rispetto al rapporto tra elio-3 ed elio-4. Anziché diminuire allo stesso ritmo, il rapporto deuterone-elio-4 cala meno bruscamente, suggerendo una differenza nei processi di formazione dei deuteroni rispetto a quanto ipotizzato in precedenza.

Un altro risultato inaspettato è emerso a rigidità superiori ai 13 GV. Qui, il flusso di deuteroni è quasi identico a quello dei protoni, i principali componenti dei raggi cosmici primari. Questo dato sorprende perché i protoni, essendo raggi cosmici primari, provengono direttamente dalle fonti cosmiche, mentre i deuteroni erano attesi come prodotti secondari, frutto delle collisioni nel mezzo interstellare. Ciò significa che ci sono molti più deuteroni di quanto previsto dalle teorie attuali.

Questi risultati sfidano le teorie convenzionali sulla formazione dei deuteroni nei raggi cosmici, e potrebbero portare a una maggiore comprensione delle dinamiche delle particelle nell’Universo. Con l’imminente aggiornamento di AMS, che aumenterà la sua accettazione del 300%, lo strumento sarà in grado di misurare tutti i raggi cosmici carichi con un’accuratezza dell’1%, e di fornire quindi una base sperimentale per lo sviluppo di una teoria accurata dei raggi cosmici.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, è reperibile qui.