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L'ESPERIMENTO AMS



AMS è un esperimento di fisica astro-particellare di nuova concezione operante sulla Stazione Spaziale Internazionale. Sfruttando le condizioni uniche dell'ambiente spaziale, AMS studia l’Universo e le sue origini, cercando nuove forme di materia attraverso misure di precisione della composizione e del flusso dei raggi cosmici. Con le sue osservazioni, AMS contribuirà alla soluzione di interrogativi fondamentali della Fisica, come “Quali sono i componenti della massa invisibile dell’universo?” o “Dov’è finita l’antimateria primordiale?”


Fotografia del rivelatore AMS-02 appena installato a bordo della Stazione Spaziale (19 Maggio 2011).


LA MISSIONE



Il progetto AMS è stato proposto nel 1994 e si basa su un accordo tra NASA e US/DoE. Il progetto prevedeva una missione di prova, AMS-01, che fu portata a termine con successo nel giugno 1998: il prototipo AMS-01, una versione semplificata del rivelatore, ha operato per 10 giorni a bordo dello shuttle Discovery, nella missione STS-91. AMS-01 ha registrato 100 milioni di particelle cariche che hanno permesso misure di precisione e qualità senza precedenti. La storica brochure descrive AMS-01 in dettaglio.

Dopo il successo storico di AMS-01 del 1998, la collaborazione AMS ha lavorato negli anni alla versione definitiva dell'esperimento, il rivelatore AMS-02. AMS-02 è stato assemblato al CERN e calibrato con fasci di particelle di alta energia. Il collaudo dell'intero esperimento nella configurazione di volo è stato realizzato nei laboratori ESTEC dell'ESA, in Olanda. Nel settembre 2010 l'esperimento è stato poi spedito al Kennedy Space Center in Florida, dove è stato finalmente integrato nel vano di carico dello shuttle Endeavour per il lancio.

AMS-02 è stato messo in orbita il 16 Maggio 2011 dallo shuttle Endeavour nell’ambito della missione STS-134 verso la Stazione Spaziale Internazionale. Si tratta del 134-esimo volo dello shuttle, il 36-esimo verso la Stazione Spaziale Internazionale, l’ultimo volo dell’Endeavour e il penultimo di tutto lo Space Shuttle Program.

Il 19 Maggio 2011, 5:46 EDT, AMS-02 è stato istallato sulla Truss principale della ISS e connesso elettricamente. Dopo una fase di calibrazione, e' iniziata la presa dati e quindi la missione scientifica dell'esperimento AMS. AMS-02 sta correntemente raccogliendo e trasmettendo dati di migliaia di raggi cosmici ogni secondo. Nell'arco della sua missione, AMS raccoglierà 350 TeraByte di dati corrispondenti miliardi di particelle cosmiche che, dopo essere state prodotte e accelerate da forti campi magnetici, hanno viaggiato milioni di anni nella galassia.


Proprio per queste caratteristiche eccezionali, AMS è stato ribattezzato l'Hubble Space Telescope dei raggi cosmici.


PANORAMICA DEL RIVELATORE



AMS è il più grande e sensibile spettrometro magnetico per lo studio della fisica delle particelle che abbia mai operato nello spazio.
AMS-02 consiste in una serie di sotto-rivelatori che permettono di misurare l'identità e l'energia di ogni particella che li attraversa. AMS-02 raccoglierà particelle cosmiche in continuità per anni, producendo un flusso di dati trasmesso a terra con una frequenza media di 700 Hz. Ecco una veloce panoramica dei dispositivi principali:


TRD

Il Transition Radiation Detector (TRD) è un rivelatore specializzato di AMS. Il suo compito è distinguere fra particelle leggere (elettroni e positroni) da quelle pesanti (protoni e nuclei). Questa distinzione è ottenuta tramite il conteggio dei raggi X emessi dalle particelle leggere come "radiazione di transizione".


TOF

Il sistema Time-of-Flight è il cronometro di AMS. Il TOF effettua misure di “tempo di volo” delle particelle (il loro tempo di passaggio nello strumento) con altissima precisione (fino a un decimo di nanosecondo). Il principale obiettivo del TOF è di avvisare gli altri subdetector dell’arrivo di un raggio cosmico (trigger dell'esperimento), discriminandone inoltre il verso di percorrenza. Il TOF fornisce anche misure di velocità e di carica delle particelle.


TRACKER

Il tracciatore al silicio è il sotto-rivelatore principale di AMS. Operando all'interno del magnete di AMS, il Tracker ricostruisce le traiettorie delle particelle misurandone la curvatura, con una precisione del μm. Dalla misura di curvatura è possibile riconoscere le particelle di antimateria da quelle di materia. Si può inoltre determinare anche la loro energia e la direzione di provenienza. Inoltre il Tracker fornisce una stima della carica assoluta delle particella e dunque contribuisce alla capacità di separazione chimica dello spettrometro di AMS-02.


MAGNET

Il magnete di AMS è un cilindro di un metro di altezza per un metro di diametro, costituito da 6.000 blocchi di materiale ferromagnetico Nd-Fe-B. Le sue caratteristiche sono state ben validate nel volo orbitale nella missione shuttle STS-91. Il suo campo magnetico è circa 4.000 volte più intenso di quello della Terra. Grazie al campo magnetico prodotto, l’esperimento è in grado sia di separare materia e antimateria sia, a partire dal raggio di curvatura, di stimare l'energia delle particelle.


RICH

Il Ring Imaging Cherenkov detector (RICH) misura con grande accuratezza (0.1%) la velocità delle particelle che lo attraversano. Le particelle che attraversano il RICH emettono radiazione Cherenkov che viene proiettata in un piano foto-sensibile producendo archi, ellissi, e cerchi di luce. Il RICH è in grado di rivelare questa radiazione e ricostruire la velocità e la carica delle particelle. La misura combinata di RICH e Tracker permette la misura diretta della massa delle particelle.


ECAL

Il calorimetro elettromagnetico ECAL assorbe tutte le particelle cariche e raggi gamma che lo attraversano, fornendo una misura di energia. Le particelle che entrano nel materiale denso dell'ECAL (piombo) vengono distrutte generando uno "sciame" di particelle a energia più bassa. Dallo studio del profilo tridimensionale dello sciame, è possibile stimare l'energia iniziale, la direzione di arrivo e l'identità delle particelle che lo hanno generato.


ACC

Il sistema di anti-coincidenze (Anti-Coincidence Counter) è un rivelatore cilindrico che avvolge il Tracker. Ha lo scopo di rigettare le particelle che, attraversando lateralmente lo strumento, che non potrebbero essere misurate accuratamente.


TAS

Il Tracker Alignment System (TAS) è un dispositivo laser che controlla la stabilità dell’allineamento del Tracker. Il sistema TAS consente un rapido e affidabile monitoraggio della stabilità geometrica del Tracker durante la missione, il che dovrebbe permettere di controllare e correggere eventuale disallineamento dei sensori di silicio.


STAR TRACKER

Il Tracciatore Stellare consiste in due fotocamere CCD posizionate sui due lati di AMS che riprendono il cielo sovrastante. Dalla ricostruzione delle costellazioni fotografate dallo Star Tracker, si può determinare l’orientamento "assoluto" di AMS rispetto a un sistema di coordinate spaziali universali. Il dispostivo GPS, integrato nello strumento, sincronizza l’orologio interno dei computer di AMS con il tempo universale e trasmette queste informazioni a terra. Attraverso Star Tracker e GPS è possibile sapere in maniera univoca il tempo e la direzione di arrivo delle particelle.


ELETTRONICA E DAQ

Ognuno dei sottorivelatore di AMS sopra elencati produce migliaia di informazioni che devono essere acquisite, processate e inviate a terra. In AMS è presente un sistema gerarchico di computer che raccoglie i dati, li seleziona, li ri-organizza, e li archivia in un buffer di memoria da cui verranno inviati a terra. Il numero di informazioni gestite e trasmesse da AMS-02 è elevatissimo, paragonabile a quello di tutta la ISS nel suo complesso. L'ambiente spaziale può presentare condizioni ostili: vibrazioni, assenza di gravità, presenza di cicli termici, radiazioni. Tutti i circuiti elettronici sono stati progettati, prototipati, realizzati e testati rispettando requisiti molto stringenti.



I NUMERI DI AMS



Peso 6918 kg

Volume 64 metri cubi

Consumo 2000 Watt

Trasmissione dati 10 Mbps

Intensità del campo magnetico 0.14 Tesla o 1400 Gaus (4.500 più forte del campo magnetico terrestre)

Materiale magnetico lega di Neodimio, 1200 kg di Nd2Fe14B

Sottosistemi 15 tra rivelatori di particelle e sottosistemi di supporto

Lancio 16 Maggio 2011 at 8:56 AM Eastern

Durata della missione fino alla fine dell’attività della ISS, anno 2020 o oltre (non ritornerà sulla Terra)

Costruzione 1999-2010

Costo $1.5 miliardi (stimati)