GAPS: l’esperimento in volo dall’Antartide per cercare l’antimateria cosmica
È decollato con successo dall’Antartide il primo volo scientifico di GAPS (General AntiParticle Spectrometer).
È un esperimento internazionale dedicato alla ricerca dell’antimateria nei raggi cosmici. Lanciato da un pallone stratosferico a 37 km di quota, GAPS esplorerà per settimane le particelle più rare dell’universo, con l’obiettivo di ottenere nuove informazioni sulla materia oscura.
Lancio riuscito per il General AntiParticle Spectrometer
Il 15 dicembre 2025 alle ore 17:37 italiane, dall’area operativa della base NASA di McMurdo, in Antartide, è stato lanciato con successo il primo volo del progetto GAPS – General AntiParticle Spectrometer, un ambizioso esperimento finalizzato alla rilevazione dell’antimateria nei raggi cosmici. Il sistema scientifico, trasportato da un pallone stratosferico ad alta quota, ha raggiunto un’altitudine operativa di circa 37 chilometri, da cui raccoglierà dati durante un volo di lunga durata.
I primi controlli a bordo hanno confermato che tutti i sottosistemi sono operativi e la raccolta dei dati è in corso regolare. La missione si inserisce in un programma di voli stratosferici dell’infrastruttura LDB (Long Duration Balloon) della Columbia Scientific Balloon Facility (CSBF), gestita dalla NASA. Le condizioni meteorologiche stabili e la dinamica atmosferica dell’alta latitudine antartica consentono traiettorie circolari attorno al Polo Sud, ideali per esperimenti astrofisici a lungo termine.
Un consorzio scientifico internazionale con forte partecipazione italiana
La collaborazione scientifica di GAPS comprende istituzioni accademiche e di ricerca di Stati Uniti, Giappone e Italia. La componente italiana, supportata dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), coinvolge ricercatori e ricercatrici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e delle Università di Firenze, Pavia, Bergamo, Napoli, Torino, Roma Tor Vergata e Trieste.
Il gruppo italiano ha fornito un contributo di alto valore tecnologico e scientifico. In particolare, ha sviluppato una parte del sistema centrale di GAPS: il tracciatore di particelle, responsabile della determinazione della traiettoria dei raggi cosmici in ingresso. Questo è basato su una matrice di sensori al silicio accoppiati a un’elettronica avanzata di lettura e alimentazione, progettata per identificare eventi rari all’interno di un’intensa pioggia di particelle cosmiche.
Obiettivo scientifico: l’antimateria nei raggi cosmici
La finalità principale dell’esperimento GAPS è lo studio delle componenti di antimateria a bassa energia presenti nei raggi cosmici. Questi ultimi sono particelle altamente energetiche che giungono dallo spazio interstellare e intergalattico, e tra cui potrebbe annidarsi una piccola ma significativa percentuale di antinuclei come antiprotoni, antideuterio e antielio.
L’osservazione diretta di questi antinuclei riveste una particolare importanza per la fisica fondamentale: tali segnali rappresentano potenziali indicatori dell’annichilazione o decadimento di particelle di materia oscura. I modelli teorici di fisica delle particelle suggeriscono infatti che l’interazione tra particelle di materia oscura potrebbe generare antimateria a bassa energia. Rilevare tali segnali costituirebbe un passo decisivo verso l’identificazione della composizione della materia oscura, uno dei principali misteri ancora aperti nel modello standard della fisica.
Una tecnica di rivelazione innovativa basata su atomi esotici
A differenza di altri strumenti che si basano su magneti o tracciamento mediante curve di traiettoria, GAPS utilizza una tecnica sperimentale originale basata sulla formazione di atomi esotici. Quando una particella di antimateria penetra nel rivelatore, viene catturata da un atomo del materiale del detector, formando un sistema in cui l’antinucleo negativo orbita intorno a un nucleo positivo, analogamente a un elettrone in un atomo ordinario.
Questo sistema, instabile, subisce rapidamente un processo di annichilazione, rilasciando un segnale caratteristico sotto forma di fotoni e particelle secondarie. L’identificazione di questo schema di decadimento consente di risalire con precisione al tipo di particella di antimateria che ha originato l’interazione.
La combinazione tra sensibilità, identificazione di segnali specifici e capacità di discriminare il rumore di fondo rende GAPS un esperimento altamente specializzato, progettato per rivelare eventi estremamente rari e difficilmente osservabili con altri strumenti.
Palloni stratosferici: una piattaforma scientifica d’élite
L’impiego di palloni stratosferici rappresenta una soluzione efficace e consolidata per esperimenti di fisica astroparticellare. La base NASA LDB in Antartide offre condizioni atmosferiche stabili e traiettorie quasi stazionarie grazie alla circolazione polare. Ciò consente voli di durata settimanale o superiore, ideali per esperimenti come GAPS, che richiedono lunghi tempi di acquisizione e un ambiente privo di interferenze.
L’altitudine raggiunta – circa 37.000 metri – permette di operare al di sopra della maggior parte dell’atmosfera terrestre, riducendo l’assorbimento delle particelle cosmiche e aumentando significativamente l’efficienza di rivelazione. Rispetto ai satelliti, le missioni con palloni scientifici hanno anche il vantaggio di costi ridotti, possibilità di recupero e riutilizzo degli apparati, e accessibilità diretta per calibrazione e manutenzione.
Il contributo dell’Italia al cuore del sistema
La partecipazione italiana si è concentrata sullo sviluppo del tracciatore, uno dei componenti centrali dell’apparato. Questo sistema utilizza sensori a semiconduttore per misurare con precisione la direzione di arrivo delle particelle, integrati da un’elettronica in grado di operare in condizioni ambientali estreme e di filtrare segnali di interesse tra milioni di eventi.
Il sistema progettato in Italia è fondamentale per garantire la qualità dei dati raccolti e per associare correttamente i segnali di annichilazione ai corrispondenti eventi cosmici. La progettazione, lo sviluppo, i test e l’integrazione sono stati realizzati nei laboratori INFN e universitari, a testimonianza di una filiera nazionale di alto livello nella fisica sperimentale delle particelle.
Tempistiche e successo operativo
Il successo del lancio 2025 è reso ancor più significativo dal fatto che la campagna del 2024 fu interrotta da condizioni meteorologiche avverse. Quest’anno, il lancio è stato effettuato con rapidità, appena una settimana dopo l’inizio delle operazioni. Secondo Mirko Boezio, responsabile nazionale per l’INFN della collaborazione GAPS, si tratta di una dimostrazione concreta della determinazione e del coordinamento della squadra internazionale, che ha lavorato con costanza per superare le difficoltà logistiche e operative legate alle missioni in Antartide.
Un laboratorio scientifico e formativo ad alta quota
Oltre alla sua rilevanza scientifica, GAPS rappresenta anche una piattaforma educativa di grande valore. Come sottolineato da Elisabetta Cavazzuti, referente del progetto per l’ASI, l’esperimento offre ai giovani ricercatori l’opportunità di partecipare a tutte le fasi di un progetto scientifico complesso: dalla progettazione e test dei sistemi alla raccolta e analisi dei dati in tempo reale.
Questo coinvolgimento diretto favorisce la formazione di competenze interdisciplinari e consente un’interazione concreta tra fisica sperimentale, ingegneria dei sistemi, elettronica, informatica e astrofisica, in un contesto operativo reale e non simulato.
Prospettive di ricerca e continuità scientifica
Il volo 2025 di GAPS rappresenta l’inizio di una campagna scientifica destinata ad avere ripercussioni di lungo periodo. I dati acquisiti nel corso delle prossime settimane saranno analizzati da team internazionali per cercare segnali di antinuclei, con l’obiettivo di pubblicare risultati significativi sul fronte della fisica delle particelle cosmiche.
La piattaforma GAPS è concepita per essere modulare ed espandibile, con la possibilità di ulteriori voli futuri e aggiornamenti tecnologici. L’esperienza acquisita in Antartide rappresenta un passo essenziale per affinare le tecniche di rivelazione e migliorare le prestazioni in vista di nuove campagne osservative.
La possibilità di scoprire antideuterio o antielio nei raggi cosmici aprirebbe uno scenario completamente nuovo nello studio della materia oscura e dell’origine dell’universo. La ricerca sperimentale continua a costituire l’elemento chiave per verificare o confutare le ipotesi più avanzate della fisica teorica contemporanea.