Pierre Auger Observatory

 

L'osservatorio Pierre Auger per lo studio dei raggi cosmici  con i suoi 3000 km2 di superficie è il più esteso esperimento di fisica delle astroparticelle esistente sulla Terra. La sua estensione è pari a quella del Salento. Situato nel cuore della Pampa Argentina, Auger è stato realizzato con il contributo dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

UHECRNella figura è rappresentato il flusso dei raggi cosmici primari, provenienti dallo spazio esterno alla Terra, in funzione dell’energia E. Nella regione ad alta energia sono riportati i dati dell’esperimento HiRes e quelli più recenti di Auger. È anche riportata per confronto l’energia ottenibile con gli acceleratori Lhc, al Cern, e Tevatron negli Stati Uniti, per le collisione tra protoni. Ad alta energia sono chiaramente visibili: - una variazione della pendenza all’energia di circa 4x1018 eV, chiamata caviglia (ankle, ininglese); - una forte riduzione dell’intensità per energie superiori a circa 4x1019 eV, chiamata taglio Gzk.

Il sistema di rivelazione di Auger è di tipo “ibrido” perché comprende rivelatori di diversa natura. È costituito, infatti, dalla combinazione di rivelatori “di superficie”  e di telescopi a fluorescenza.

SDstationI primi, 1.600 taniche d’acqua a 1,5 chilometri l’una dall’altra, osservano il fronte dello sciame di raggi cosmici quando colpisce la superficie terrestre, rivelando e contando le particelle prodotte al livello del suolo.  I rivelatori di superficie devono il loro funzionamento al fenomeno fisico che si manifesta quando una particella carica attraversa un mezzo materiale – l’acqua, nel caso di Auger – a velocità sufficientemente alta. È l’effetto Cherenkov: un lampo di luce ultravioletta prodotto dal passaggio di particelle cariche nel liquido, a una velocità superiore a quella della luce nello stesso mezzo. La luce Cherenkov è dunque una sorta di “onda d’urto”che i rivelatori possono raccogliere grazie ai fotomoltiplicatori di cui sono dotati.

Telescope I 24 telescopi distribuiti intorno ai rivelatori di superficie, d’altra parte, raccolgono i lampi di luce di fluorescenza prodotti nell’aria dalle particelle cariche dello sciame, osservandone così lo sviluppo longitudinale, lungo la direzione di provenienza.
A differenza del rivelatore di superficie, nel caso dei telescopi, il mezzo usato per la rivelazione è l’atmosfera stessa, i cui atomi emettono luce ultravioletta al passaggio dello sciame, per un effetto di fluorescenza. Nell’attraversare l’atmosfera, infatti, le particelle cariche dello sciame eccitano le molecole di azoto che, tornando allo “stato fondamentale”, emettono luce ultravioletta. Grazie a entrambi questi metodi di rivelazione i ricercatori possono ottenere le informazioni necessarie a ricostruire l’energia e la direzione con la quale i raggi cosmici sono pervenuti fino alla Terra, con una precisione molto superiore rispetto a precedenti esperimenti. Questo consente di formulare ipotesi sulla natura delle sorgenti di raggi cosmici di alta energia e sui meccanismi con cui essi sono accelerati alle enormi energie con cui raggiungono l’atmosfera terrestre.