PAMELA mission: in flight perfomances and preliminary measurements of nuclear abundances

PAMELA (a “Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics”) experiment is a satellite-borne apparatus designed for precision studies of the charged particles in the cosmic radiation. The primary scientific goal is the study of the antimatter component of the cosmic radiation (antiprotons, 80 MeV - 190 GeV; and positrons, 50 MeV - 270 GeV) in order to search for evidence of dark matter particle annihilations. PAMELA will also search for primordial antinuclei (in particular, anti-helium), and test cosmic-ray propagation models through precise measurements of the antiparticle energy spectrum and studies of light nuclei and their isotopes. In addition, it will measure the light nuclear component of cosmic rays and investigate phenomena connected with Solar and Earth physics. PAMELA is installed inside a pressurized container attached to a Russian Resurs DK1 earth-observation satellite that was launched into space in an elliptical (350 - 600 km of altitude) orbit with an inclination of 70.0 degrees by a Soyuz-U rocket on June 15th 2006 from the Baikonur cosmodrome in Kazakhstan. The PAMELA apparatus comprises a magnetic spectrometer, a Time of Flight system, a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter, an anticoincidence system, a shower tail catcher scintillator and a neutron detector. The combination of these devices allows antiparticles to be reliably identified from a large background of other charged particles. The semipolar orbit (70.0°) allows PAMELA to investigate a wide range of energies for antiprotons (80 MeV - 190 GeV) and positrons (50 MeV - 270 GeV). Three years of data taking will provide unprecedented statistics in this energy range and will set the upper limit for the ratio anti-He/He below 10^(-7). Before launch and during the first months of data taking, Quick Look Software (for mission monitoring in real time) and Data Analysis Software were developed. Furthermore measurements of the the light attenuation lengths and trigger efficiencies of the TOF scintillator system in the "flight" configuration were performed. Preliminary results of Boron to Carbon nuclear ratio in cosmic rays in the energy range from 200 MeV/n up to 25 GeV/n have been derived using combined data from Calorimeter, Tracker and TOF systems. This measurement is very important to put constraints to propagation parameters of cosmological models and, as a consequence, to make more easily visibile a possible small contamination from primary sources in antiprotons and positrons spectra. A better determination of the cosmic ray propagation is fundamental for the search of exotic matter, like dark matter candidates or antimatter produced in exotic processes, since the signature of such processes can be recognized only by knowing with great precision the fluxes due to the conventional production, acceleration and transport mechanisms.

L'esperimento PAMELA (acronimo per “Payload for Antimatter-Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics”) ha come obiettivo principale la ricerca e lo studio dei raggi cosmici con particolare attenzione alla ricerca della componente di antimateria presente in essi sotto forma di particelle e nuclei (antiprotoni, 80 MeV - 190 GeV, e positroni, 50 MeV - 270 GeV) al fine di mettere in evidenza il contributo, se esistente, proveniente da una possibile sorgente di materia oscura. PAMELA inoltre ricercherà antinuclei primordiali (in particolare anti-elio) e servirà da verifica per i modelli di propagazione dei raggi cosmici attraverso una precisa ricostruzione dello spettro energetico delle antiparticelle e lo studio dei nuclei leggeri e dei loro isotopi. Inoltre investigherà i fenomeni connessi alla fisica solare e terrestre. PAMELA è allogiata, come carico pagante, in un container pressurizzato a bordo di un satellite russo per il telerivelamento Resurs-DK1. Tale satellite è stato lanciato nello spazio con un’orbita ellittica (350 - 600 km di altezza) e con un'inclinazione di 70.0 gradi dal vettore Soyuz-U il 15 Giugno 2006 dal cosmodromo russo di Baikonur in Kazakhstan. Lo strumento PAMELA è costituito da uno spettrometro magnetico, un sistema di tempo di volo (TOF, “Time Of Flight”), un calorimetro elettromagnetico ad immagine, un sistema di anticoincidenza, un rivelatore a scintillazione addizionale ed un rivelatore di neutroni. La combinazione di questi rivelatori permette una buona discriminazione delle antiparticelle su un fondo molto abbondante. La durata della missione è prevista essere di almeno tre anni, durante i quali verrà collezionata una statistica senza precedenti. Il limite inferiore nel rapporto anti-He/He è fissato essere inferiore a 10^(-7). Prima del lancio e durante i primi mesi da presa dati è stato sviluppato il software di Quick Look (per il monitoraggio in tempo reale) e per l'analisi dei dati. Inoltre sono state stimate le lunghezze di attenuazione e l'efficienza di trigger per il sistema di scintillatori del TOF nella configurazione di volo. I risultati preliminari del rapporto nucleare Boro/Carbonio nell'intervallo energetico da 200 MeV/n fino a 25 GeV/n sono stati ottenuti combinando i dati provenienti dal Calorimetro, dallo spettrometro magnetico e dal sistema di tempo di volo. Questa misura è molto importante per mettere vincoli ai parametri dei modelli cosmologici e, di conseguenza, per rendere più facilmente visibile una possibile piccola contaminazione da sorgenti primarie negli spettri degli antiprotoni e positroni. Una migliore conoscenza dei modelli di propagazione è fondamentale per la ricerca della materia esotica, come la materia oscura o antimateria prodotta in processi esotici, poichè una segnatura di tali processi può essere riconosciuta solamente conoscendo con ottima precisione i flussi di tali particelle prodotti dai canali convenzionali e i meccanismi di accelerazione e trasporto.