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