Sezione d'urto di produzione di antiprotoni nelle collisioni di protoni di LHC con nuclei di elio in funzione dell'energia dell'antiprotone in diversi intervalli di energia. Alcuni dei modelli più popolari utilizzati nella fisica dei raggi cosmici sono rappresentati dalle linee continue colorate, e i risultati di LHCb sono i punti dati sovrapposti. La diffusione tra le previsioni del modello indica la grande incertezza sul valore della sezione d'urto di produzione di antimateria nelle collisioni protone-elio prima della misurazione LHCb. Va notato che la scala verticale è logaritmica, quindi un piccolo spostamento verticale (dei punti dati) corrisponde ad una differenza effettiva grande rispetto ai modelli teorici, rappresentato dalle linee colorate. Credito:collaborazione LHCb
La scorsa settimana al 52° Rencontres de Moriond EW a La Thuile, Italia, l'esperimento LHCb ha presentato i risultati di uno studio senza precedenti e insolito. Invece delle solite collisioni protone-protone, questa volta il rivelatore LHCb ha registrato collisioni tra protoni e nuclei di elio, che sono stati iniettati vicino al punto di interazione dell'esperimento. Questo tipo di collisione di solito può essere visto solo molto al di sopra dell'atmosfera terrestre, dove le particelle dei raggi cosmici - particelle altamente energetiche provenienti dall'esterno del Sistema Solare - colpiscono la "polvere" interstellare composta principalmente da idrogeno ed elio, e vengono rilevati da esperimenti basati su satellite. Gli scienziati vogliono comprendere meglio questo processo e, in particolare, stanno cercando di capire quanti antiprotoni si creano quando i protoni dei raggi cosmici altamente energetici colpiscono i nuclei di elio del mezzo interstellare.
La ragione ultima di ciò riguarda la ricerca di segnali di materia oscura. La materia oscura è un tipo invisibile di materia – cioè non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica – che costituisce un quarto del contenuto di materia-energia del nostro universo, ma la sua origine è ancora sconosciuta. Se la materia oscura è costituita da un qualche tipo di particelle stabili (non ancora scoperte), la cui esistenza è prevista in molte estensioni del Modello Standard della fisica delle particelle, queste particelle di materia oscura potrebbero scontrarsi e produrre particelle e antiparticelle ordinarie, includendo in particolare gli antiprotoni.
Però, gli antiprotoni possono anche essere creati tramite la collisione di protoni di raggi cosmici con nuclei di idrogeno ed elio nel mezzo interstellare. Perciò, un potenziale segnale della presenza di materia oscura potrebbe essere l'osservazione di un numero di antiprotoni superiore a quello atteso dai processi "standard". E senza dubbio, gli esperimenti spaziali PAMELA e AMS-02 hanno trovato esattamente un così intrigante eccesso di antiprotoni rispetto ai protoni nelle misurazioni dei raggi cosmici, con un livello di precisione impressionante.
Eureka? Purtroppo non ancora, poiché la nostra comprensione teorica della produzione di antiprotoni dalle collisioni di raggi cosmici è ancora influenzata da grandi incertezze, soprattutto per quanto riguarda la probabilità di produzione di antiprotoni nelle collisioni protone-elio (la cosiddetta "sezione d'urto"). Una determinazione precisa del numero atteso di antiprotoni dai raggi cosmici è stata finora impossibile, impedendo così un'interpretazione diretta dei risultati degli esperimenti satellitari.
Un esempio di un evento di collisione protone-elio completamente ricostruito nel rivelatore LHCb. La particella identificata come antiprotone è mostrata in rosa. Credito:collaborazione LHCb
È qui che è entrato in gioco l'esperimento LHCb. L'idea di iniettare gas nobili, come neon, elio e argon - nel tubo del fascio vicino alla regione di interazione è stato proposto per vari motivi legati alle misurazioni della luminosità del fascio di protoni. Ma il suo potenziale è stato rapidamente riconosciuto dai fisici di LHCb e dai loro colleghi che lavorano nella fisica delle astroparticelle:la tecnica dell'iniezione di gas potrebbe essere utilizzata anche per simulare l'ambiente cosmico e misurare, per la prima volta, la sezione d'urto di produzione di antiprotoni nelle collisioni protone-elio.
I dati di collisione protone-elio utilizzati in questa analisi sono stati registrati all'inizio di maggio 2016. Grazie alle sue capacità specializzate nell'identificazione di varie particelle, in particolare antiprotoni, l'esperimento LHCb è stato anche in grado di misurare la sezione d'urto di produzione di antiprotoni in una vasta gamma di energie rilevanti, ottenendo una precisione complessiva di circa il 10%. Questa misura riduce significativamente l'incertezza sui valori della sezione d'urto di produzione di antimateria nelle collisioni protone-elio che sono state utilizzate finora nei modelli teorici dei raggi cosmici (vedi l'immagine sotto).
Il risultato di LHCb avrà un impatto considerevole sulle previsioni per il numero di antiprotoni attesi dalle collisioni di raggi cosmici con il mezzo interstellare, e la comunità degli astrofisici è ora impegnata a incorporarlo nei propri calcoli. Questo lavoro consentirà all'interpretazione dei dati di PAMELA e AMS-02 sul flusso di antiprotoni dallo spazio di diventare più vincolato, chiarire la sua possibile origine di materia oscura.
Maggiori informazioni su questo risultato possono essere trovate sul sito web di LHCb.
