Attività scientifica
L'attività di ricerca di Roberta Sparvoli si è svolta principalmente nel campo delle Astroparticelle, con particolare riguardo alla ricerca di antimateria primordiale e possibili segnali di materia oscura, allo studio della componente elettronica, nucleare ed isotopica dei raggi cosmici e alla rilevazione della radiazione gamma di alta energia. I risultati di queste ricerche, svolte con esperimenti a bordo di palloni stratosferici e di satelliti di piccole e grandi dimensioni, hanno rappresentato la frontiera della conoscenza nel campo della fisica dei raggi cosmici ed hanno avuto una vasta risonanza sia all'interno che all'esterno della comunità scientifica. Di grande rilevanza sono state anche le ricerche riguardanti l'attività solare e la misura dell'ambiente di radiazione all'interno delle Stazioni Spaziali MIR e ISS, insieme allo studio degli effetti della radiazione ionizzante sul sistema nervoso centrale degli astronauti nello spazio. L'attività sperimentale della professoressa Sparvoli si è inserita fin dalla sua tesi di laurea (del 1994) nel programma di esplorazione dello spazio, innovativo e pionieristico per il Dipartimento di Fisica dell'Università di Roma Tor Vergata, iniziato alla fine degli anni 80 con la costituzione della collaborazione internazionale WIZARD. Questa collaborazione ha coinvolto, in configurazioni diverse nel tempo, oltre a Università italiane e Sezioni INFN (Bari, Firenze, Frascati, Napoli, Tor Vergata, Trieste), Università ed Enti di Ricerca di Germania, Russia, Svezia, USA, Sud Africa. Nell'ambito di questa attività sono stati progettati, realizzati, testati e posti nello spazio una serie di rivelatori, come spettrometri magnetici e calorimetri, ed è stato svolto un ampio lavoro di analisi ed interpretazione dei dati portando in campo spaziale - in molti casi per la prima volta - le competenze, le conoscenze, le tecnologie e le metodologie di analisi acquisite nella fisica delle particelle presso gli acceleratori. L'attività della collaborazione WIZARD ha aperto all'INFN le porte della Fisica Astroparticellare nello spazio. Roberta Sparvoli è stata fra le iniziatrici ed ispiratrici - fin dalle prime lettere di intenti e proposte di esperimenti a bordo di palloni stratosferici e di missioni spaziali - dell'attività spaziale della collaborazione WIZARD.
Tra la fine degli anni 80 e la fine degli anni 90 sono state sviluppate sei missioni a bordo di palloni stratosferici in collaborazione con la NASA (MASS89, MASS91, TrampSi e le 3 missioni CAPRICE) lanciate da basi NASA in USA e Canada (Prince Albert, Fort Sumner, Lynn Lake). Roberta Sparvoli ha partecipato attivamente alle ultime due missioni. Questi esperimenti erano dedicati alla ricerca di antimateria nei raggi cosmici ed avevano a bordo spettrometri magnetici, calorimetri, selettori di velocità e sistemi di misura di tempi di volo. TRD e calorimetri - a strawtubes ed al silicio - sono stati i contributi della componente italiana. I risultati di queste missioni per la determinazione dei flussi di antiprotoni e positroni sono stati i migliori mai ottenuti nel campo, prima dei dati - prodotti sempre dal nostro gruppo - di PAMELA.
Un passo decisivo verso lo spazio è stato compiuto con la firma nel 1993 di un accordo tra l'INFN e l'Istituto MEPhI di Mosca per la realizzazione del programma RIM (Russian-Italian-Missions), accordo che ha coinvolto l'Agenzia Spaziale Russa e successivamente l'Agenzia Spaziale Italiana. Le prime missioni nello spazio compiute nell'ambito di questo accordo sono state Si-Eye1 e Si-Eye2 sulla stazione spaziale russa MIR, rispettivamente nei periodi 1995- 1998 e 1998-2000, dedicati allo studio dei raggi luminosi percepiti dagli astronauti al buio nello spazio ed allo studio dell'ambiente di radiazione all'interno della MIR. I rivelatori erano costituiti da matrici di strip di silicio che - mutuati dalla fisica delle particelle sviluppata presso acceleratori - volavano per la prima volta nello spazio nella storia dell'INFN. I rivelatori erano tutti assemblati nei laboratori del Dipartimento di Fisica di Tor Vergata e del MEPhI. Nella lista delle pubblicazioni si riporta uno dei risultati più importanti ottenuti in questo campo. Tra queste missioni si sono inseriti i due esperimenti NINA-1 a bordo del satellite russo Resurs-01 e NINA-2 a bordo del satellite italiano MITA, dedicate alo studio delle componenti nucleari ed isotopiche dei raggi cosmici ed allo studio dell'attività solare con particolare riguardo alle solar-flares. Le missioni NINA sono state oggetto della tesi di dottorato della prof.ssa Sparvoli (1998).
Culminazione delle missioni RIM è stata la realizzazione dell'esperimento PAMELA, installato a bordo del satellite russo DK1 e messo in orbita da un razzo Soyuz-U il 16 Giugno 2006. PAMELA è stata la missione spaziale più importante, fino al lancio di AMS-02 nel 2011, che sia mai stata compiuta nel campo della ricerca di antimateria e di segnali di materia oscura da particelle cariche. La varietà dei rivelatori impiegati e l'ampia gamma di ricerche che è stata in grado di effettuare hanno reso PAMELA un vero osservatorio di radiazione cosmica ad orbita bassa. La missione è stata finanziata in maniera consistente sia dall'INFN che dall'Agenzia Spaziale Italiana ASI. Per la realizzazione dello strumento PAMELA, il Dipartimento di Fisica di Tor Vergata si è dotato della realizzazione di due camere pulite, classe 100 e 1000, con i locali messi a disposizione dal Dipartimento e il finanziamento della strumentazione a carico dell'INFN. Nelle camere pulite dell'Università di Roma Tor Vergata si sono svolte le fasi di assemblaggio dello strumento di volo, che ha richiesto quasi due anni di intenso lavoro (dal 2003 al 2005), in cui è stato necessario provare ogni componente che veniva integrato. Assemblato lo strumento in configurazione finale, è stato messo in acquisizione di raggi cosmici per diversi mesi. Questa fase è terminata a Marzo 2005, quando l'apparato è stato definitivamente spedito in Russia per i test finali prima della campagna di lancio. Durante tutto il tempo di vita di PAMELA, la prof.ssa Sparvoli ha avuto moltissime responsabilità, tra le quali possiamo menzionare la realizzazione e test - sia in Italia che in Russia - del modello di massa, termico e strutturale MDTM dello strumento, e - sul fronte dell'analisi dati - il coordinamento del gruppo di analisi dei nuclei leggeri. La missione ha completato il suo ciclo di vita a Gennaio 2016. PAMELA è stata una missione di immenso successo, riconosciuta indiscutibilmente in campo internazionale. Di notevolissima rilevanza scientifica sono stati i risultati ottenuti da PAMELA sui rapporti antiprotone-protone e positrone-elettrone, pubblicati su PRL e Nature, con oltre 1000 citazioni nel periodo di un anno: interpretazioni dei dati in termini di segnali di materia esotica, di contributi da pulsar, di meccanismi di produzione di positroni non previsti da teorie classiche sono stati riportati in centinaia di lavori teorici. Altrettanto importanti sono stati anche i dati ottenuti sui flussi di protoni ed elio, elettroni e nuclei della radiazione cosmica, pubblicati su Science e PRL, che hanno permesso una migliore conoscenza dei meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici nella Galassia. Per la prima volta è stato anche possibile, con l'esperimento PAMELA, uno studio continuo e diretto degli effetti dell'attività del sole sui flussi dei raggi cosmici e la determinazione dello spettro energetico delle particelle emesse in improvvise e violente eruzioni solari. è stata anche scoperta una fascia di radiazione intorno alla terra composta di antiprotoni. I dati di PAMELA sono ancora soggetti ad analisi da parte di un gruppo ristretto della collaborazione WIZARD, e stanno ancora producendo pubblicazioni su riviste importanti, come si può evincere dalla lista delle pubblicazioni allegate.
Per dare continuità all'attività di analisi di raggi cosmici e di ricerca indiretta di materia oscura, una parte del gruppo WIZARD del Dipartimento di Fisica - coordinata da Roberta Sparvoli - si è unita alle collaborazioni CALET e GAPS. La collaborazione italo-giapponese CALET ha messo in orbita a bordo della Stazione Spaziale Internazionale nel 2015 - nel modulo giapponese - un calorimetro per la misura di elettroni e nuclei di alta energia. L'attività è finanziata dall'Agenzia Spaziale Giapponse JAXA e dall'ASI. CALET è una naturale prosecuzione dell'indagine scientifica di PAMELA. La missione ha pubblicato risultati importanti sulla misura di elettroni e positroni ad alta energia, e sugli spettri assoluti di protoni, elio e carbonii, come testimoniato anche da alcune pubblicazioni presentate. GAPS invece ci vede di nuovo impegnati con la NASA, per la realizzazione di uno strumento per la misura di antideuterii ed antiprotoni nei raggi cosmici. La missione, finanziata dall'INFN e dall'ASI, prevede il lancio di 3 palloni stratosferici dall'Antartica. La prima missione partirà nell'inverno del 2022. Sia per CALET che per GAPS, l'impegno di Tor Vergata non è nella realizzazione di alcuno strumento, ma è nell'expertise dell'analisi dei dati e della simulazione, che abbiamo acquisito nella lunga esperianza di analisi di missioni spaziali.
La missione che vede invece globalmente impegnata la collaborazione WIZARD - sia nella parte hardware che in quella di simulazione ed analisi dati - è al momento la missione italo-cinese CSES/Limadou. Il principale obiettivo scientifico della missione CSES (China Seismo-Electromagnetic Satellite) è studiare i fenomeni di natura elettromagnetica e la loro correlazione con l'attività geofisica, per contribuire al monitoraggio dei terremoti dallo spazio, e contribuire al monitoraggio dello Space Weather, già iniziato con PAMELA. CSES/Limadou è frutto di un importante protocollo d'intesa sottoscritto dall'ASI e dalla China National Space Administration (CNSA) per avviare una collaborazione in questo particolare settore di ricerca, che vede l'Italia all'avanguardia. Il contributo italiano alla missione CSES, infatti, consiste in uno strumento innovativo per misurare le particelle energetiche che precipitano dalle fasce di Van Allen a seguito di disturbi elettromagnetici. Lo strumento è stato realizzato dall'INFN, nell'ambito di una collaborazione che vede coinvolti i propri centri e le Università di Trento, Roma Tor Vergata, Perugia, Bologna e Uninettuno. Le 4 versioni del rivelatore di particelle italiano HEPD (High-Energy Particle Detector) hanno visto impegnate diverse sezioni INFN ed Università, e sono state tutte assemblate nella camere pulite del Dipartimento di Fisica di Tor Vergata. Anche la gestione del software di volo della missione è stato completamente realizzato nei nostri laboratori, con l'ausilio di parte della componente industriale che aveva già lavorato per PAMELA. Il satellite CSES ha a bordo un'ampia gamma di strumenti (magnetometri fluxgate e search-coil, rivelatori di particelle di alta energia, rivelatori di campo elettrico e di plasma ionosferico) atti a rivelare congiuntamente perturbazioni di diversi parametri e grandezze fisiche. La prima delle missioni, CSES-01, è stata messa in orbita il 2 Febbraio 2018, in orbita polare circolare sun-sincrona. Lo strumento sta funzionando il maniera nominale e stiamo lavorando intensamente all'analisi dei dati di volo. Roberta Sparvoli coordina al momento tutta l'attività di analisi dati di HEPD. Questo lavoro ha portato già alla pubblicazione di un buon numero di articoli su riviste ad alto impatto, come visibile anche dalla lista delle pubblicazioni allegate. Nel frattempo ci stiamo concentrando sulla costruzione - sempre presso ditte e nelle nostre camere pulite - della seconda delle missioni, CSES-02. La CNSA e l'ASI hanno firmato il protocollo di intesa, ed il nuovo contratto ASI-INFN è operativo. La missione, simile alla prima ma con importanti miglioramenti, dovrebbe andare in volo nel 2023.
I dati di PAMELA e di CSES sono pubblici sul sito dell'ASI: https://www.ssdc.asi.it/, localizzato presso il centro dati Space Science Data Center SSDC, un'infrastruttura di ricerca dell'ASI istituita nel 2000 con l'obiettivo di acquisire, gestire, elaborare e distribuire dati prodotti dalle missioni spaziali di interesse per le comunità scientifiche di riferimento. Fin dai primi anni della sua costituzione (prima ASDC e poi SSDC) il gruppo WIZARD è stato uno dei maggiori promotori di SSDC.