Esplorando il cosmo
L’osservatorio Pierre Auger alla ricerca della sorgente delle particelle cosmiche
L’Osservatorio Pierre Auger è il più grande osservatorio al mondo per lo studio dei raggi cosmici di altissima energia, un progetto internazionale che comprende oltre 400 scienziati di 17 paesi. Situato nella pampa argentina a 1440 m sul livello del mare, è distribuito su un’area di 3000 km2.
Antonella Castellina, dirigente di ricerca dell’INAF presso l’Osservatorio Astrofisico di Torino è stata eletta Direttrice Scientifica dell’Osservatorio Pierre Auger. Ed è proprio attraverso le sue parole che cercheremo di entrare in questo incredibile universo.
Dott.ssa Castellina ci può spiegare meglio in che consiste l’osservatorio e quali sono le sue principali funzioni?
La fisica astro-particellare studia la radiazione e le particelle del cosmo utilizzando tecniche tipiche degli esperimenti di alta energia. Alcune di queste particelle cosmiche raggiungono energie incredibilmente elevate, e la ricerca delle loro sorgenti, uno degli argomenti più affascinanti dell’astrofisica moderna, è lo scopo principale dell’Osservatorio Pierre Auger.
L’Osservatorio Pierre Auger è il più grande osservatorio al mondo per lo studio dei raggi cosmici di altissima energia
A causa della loro energia, queste particelle sono estremamente rare, e non è quindi possibile studiarle in modo diretto, per esempio inviando apparati sperimentali su palloni stratosferici o satelliti. Per osservarle, si sfrutta il fatto che le particelle primarie, interagendo nell’atmosfera terrestre, producono sciami composti da milioni e milioni di particelle secondarie (gli sciami estesi atmosferici), che possiamo osservare sia con un apparato di superficie, che copra un’area tanto maggiore quanto maggiore è l’energia degli sciami, sia registrandone la luce ultravioletta che essi rilasciano in atmosfera tramite l’utilizzo di telescopi di fluorescenza.
Che tipo di informazioni si possono ottenere dalle misurazioni che vengono effettuate?
La fisica astroparticellare si propone sia di studiare le proprietà delle particelle di origine cosmica, e tramite queste di comprendere quali siano e quali caratteristiche abbiano le strutture cosmiche che le producono e le accelerano, sia di valutare le proprietà delle interazioni adroniche e la possibile esistenza di effetti di fisica non standard, come possibili violazioni dell’invarianza di Lorentz, o segnali di materia oscura super-pesante. Le condizioni iniziali per le interazioni delle particelle cosmiche non sono note, a differenza di quanto accade nei laboratori terrestri. Inoltre le energie che si studiano arrivano a valori elevatissimi, inaccessibili agli acceleratori disponibili a terra. Per fare un esempio, le energie studiate all’esperimento Auger potrebbero essere indagate solo costruendo un acceleratore con circonferenza almeno pari all’orbita di Mercurio!
L’affidabilità della rete è fondamentale per il funzionamento dell’Osservatorio, nel contesto del controllo dell’esperimento, dell’identificazione degli eventi di sciame e della raccolta dei dati
I risultati scientifici ottenuti dalla Collaborazione Pierre Auger coprono campi di ricerca diversi e complementari. Dal punto di vista astrofisico, è stato dimostrato ad esempio che le astroparticelle di energia superiore a circa 8 1018 eV sono di origine extragalattica, studiandone le direzioni d’arrivo su larga scala; le sorgenti più probabili dei raggi cosmici ultra-energetici potrebbero invece essere galassie “starburst” (con alta produzione di stelle) oppure nuclei galattici attivi, ma le osservazioni non hanno ancora un grado di significatività statistica sufficiente a indicarle come sicure sorgenti.
Le misure dello spettro energetico, unite alle misure cosiddette “multi-messaggere”, cioè alle ricerche di neutrini e fotoni primari, ci hanno consentito di definire sempre meglio le proprietà delle possibili sorgenti e di eliminare alcuni modelli teorici.
Dal punto di vista della fisica particellare, siamo in grado di studiare le interazioni adroniche ad energie altissime, testando quindi la validità del modello standard e la possibile presenza di effetti non previsti, ben oltre i limiti raggiungibili agli acceleratori terrestri.
La fisica atmosferica costituisce un interessante spin-off di Auger: sfruttando alcune delle caratteristiche uniche dei rivelatori di Auger, sono stati analizzati gli ELVES, eventi luminosi transitori che si verificano alla base della ionosfera, quando un forte impulso elettromagnetico viene emesso da un fulmine. Questo tipo di studi consente di ottenere informazioni importanti sulle dinamiche degli acceleratori di plasma sul nostro pianeta, come quelli che si nascondono dietro il lampo di un fulmine. L’Osservatorio è anche sensibile ai TGF (terrestrial gamma-ray flashes).
Quali strumenti sono stati adottati per migliorare la connettività in una zona così isolata?
I sistemi di rivelazione dell’Osservatorio sono dislocati in posizioni molto distanti tra loro su un’area molto vasta. Per inviare comandi e ricevere dati dai siti FD e dalle stazioni SD è stata progettata e realizzata una rete di telecomunicazione bidirezionale a radiofrequenza, comprendente due livelli.
LHCONE
Per diffondere e scambiare i dati relativi all’esperimento, il Pierre Auger Observatory utilizza LHCONE, la rete sicura ad alte prestazioni che interconnette sedi in tutto il mondo e che coinvolge in Italia, tramite la rete GARR, attualmente 8 sedi INFN.
Italia ai primi posti per volume di traffico
I dati mostrano che l’Italia è tra i primi paesi in Europa per volume di traffico scambiato tra le reti della ricerca sudamericana (RedClara) ed europea (GÉANT), attraverso il collegamento sottomarino BELLA.
Il livello inferiore del sistema di comunicazione Auger consiste in una WLAN estesa basata su unità progettate su misura che operano nella banda ISM a 902-928 MHz. In ognuno dei 4 siti FD è posta una torre di comunicazione; tra ogni stazione SD e uno dei quattro nodi concentratori di comunicazione esiste un collegamento bidirezionale punto-punto. Un’unità apposita consente poi il collegamento tra ogni torre e la rete principale.
Il livello superiore della rete è costituito da un backbone network a 34 Mbps realizzato con apparecchiature commerciali, montate su parabola e operanti nella banda dei 7 GHz. I ricevitori e i trasmettitori sono montati sulle torri di comunicazione situate sul perimetro dell’Osservatorio. La dorsale a microonde fornisce comunicazioni ad alta velocità ai nodi dei quattro siti FD e al campus principale.
Le trasmissioni da e verso le stazioni sono sincronizzate con la temporizzazione GPS, in modo da assegnare a ciascuna stazione una particolare fascia oraria in cui è disponibile per inviare e ricevere dati. È disponibile una larghezza di banda effettiva di almeno 1200 bps in uplink per ogni stazione di superficie e 2400 bps per il downlink di trasmissione. Per ottenere una trasmissione adeguata dei dati raccolti dall’Osservatorio verso gli Istituti di Ricerca europei, nel 2010 è stato finanziato il progetto AugerAccess, coordinato da INFN, grazie al quale è stata installata una fibra ottica di circa 200 km che collega Auger alla rete latino-americana ad alta banda e da questa alla rete europea.
Perchè una rete internet efficiente e performante è necessaria alle attività del progetto?
L’affidabilità della rete è fondamentale per il funzionamento dell’Osservatorio, in particolare nel contesto del controllo dell’esperimento, dell’identificazione degli eventi di sciame e della raccolta dei dati registrati in ogni rivelatore per ogni evento. I dati devono essere trasferiti immediatamente dalle stazioni SD al campus centrale; a questo scopo, sono suddivisi, per ogni evento, in pacchetti. Occorre un protocollo di controllo veloce per evitare che la presenza di singoli pacchetti corrotti o mancanti comprometta la trasmissione dell’intero evento.
La rete deve poter consentire il trasferimento dei dati entro poche ore al mirror primario, fino ad oggi situato presso il Centro di calcolo HEP di Lione (Francia), da dove poi vengono distribuiti ai mirror secondari. Una rete efficiente e performante consente di mantenere elevato ed incrementare il potenziale dei gruppi Europei nel processamento e analisi dei dati e quindi nell’impatto scientifico.
Quali sono le prospettive future per l’Osservatorio Pierre Auger?
Per rispondere alle domande ed alle nuove sfide generate dalle osservazioni finora effettuate, abbiamo progettato un upgrade dei rivelatori di superficie SD dell’Osservatorio. Ognuno dei 1660 SD include ora un rivelatore a scintillazione e un’antenna radio; per gestire tutti i rivelatori, l’elettronica è stata inoltre completamente rinnovata. I nuovi dati non saturano la larghezza di banda del sistema di comunicazione. L’Osservatorio sarà operativo per altri 10 anni, in modo da estendere la statistica e ottenere le informazioni mancanti sulla massa nucleare delle particelle primarie, un’informazione essenziale per risalire alle sorgenti
Inoltre, è attualmente in corso una proposta della Collaborazione per trasferire il mirror principale dei dati di Auger da Lyon al nuovo Tecnopolo HPC bolognese. Si prevede questo trasferimento entro la fine del 2024.
All’interno dell’Osservatorio
L’Osservatorio Pierre Auger si trova in Argentina, in un altopiano posto a 1440 m sul livello del mare, ed è distribuito su un’area di 3000 km2, entro la quale sono disposti 1600 rivelatori di superficie (SD) Cherenkov ad acqua, a distanza mutua di 1.5 km. Ognuno di questi rivelatori include anche uno scintillatore plastico e un’antenna radio per la misura della radiazione emessa dagli sciami tra 30 e 80 MHz. Ventiquattro telescopi di fluorescenza, ospitati in 4 diversi siti disposti attorno all’area del SD, consentono di misurare la luce ultravioletta emessa dagli sciami nell’attraversare l’atmosfera. Con questi rivelatori, è possibile misurare particelle di energia superiore a circa 1017 eV; la particella più energetica finora misurata in Auger ha un’energia di circa 1.7 1020 eV. Mentre l’SD è operativo 24 ore al giorno, tutto l’anno, l’FD può funzionare solo nelle notti serene e quasi senza luna, con un duty cycle pari a circa il 14%.
Nella parte nord-occidentale del sito sperimentale, 61 SD sono distribuiti in due griglie più dense, con una distanza tra i rivelatori di 750 e 433 m, insieme a tre telescopi a fluorescenza ad alta elevazione. Questa regione viene sfruttata per ampliare la regione energetica esplorabile fino a circa 3 1016 eV. In quest’area sono stati anche installati rivelatori a scintillazione con fibra ottica, interrati a circa 2.5 m di profondità a fianco delle stazioni SD, per la misura diretta dei muoni degli sciami. Diversi dispositivi di monitoraggio atmosferico sono inoltre impiegati per controllare in modo continuo lo stato dell’atmosfera, per valutare l’attenuazione della luce emessa dagli sciami e la presenza di nuvole, che possono alterare la misura degli FD.
Con i rivelatori descritti, possiamo misurare energia, composizione nucleare e direzione d’arrivo delle astro-particelle primarie, che possono essere cariche (nuclei atomici totalmente ionizzati, dai protoni ai nuclei di elio, carbonio, eccetera, fino al ferro) oppure neutre, come i fotoni, i neutrini e i neutroni.
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