Da oltre cento anni i raggi cosmici rappresentano uno dei rompicapo più ostinati della fisica. Particelle dotate di energie mostruose, capaci di attraversare l’intero universo, eppure ancora avvolte da domande fondamentali: da dove arrivano esattamente? Che cosa le accelera fino a velocità così estreme? Ora, grazie al telescopio spaziale DAMPE, un team internazionale di ricercatori ha scovato un pattern universale che potrebbe finalmente cambiare le carte in tavola. Lo studio, pubblicato su Nature nel maggio 2026, descrive una sorta di impronta comune che accomuna tutti i nuclei cosmici primari, dai protoni leggeri fino ai pesanti nuclei di ferro. E la cosa affascinante è che nessuno se lo aspettava con questa chiarezza.

I raggi cosmici sono le particelle più energetiche mai osservate in natura. Trasportano quantità di energia enormemente superiori a quelle prodotte dai più potenti acceleratori terrestri. Gli scienziati ritengono che nascano da eventi violentissimi: esplosioni di supernova, getti sparati da buchi neri, pulsar in rotazione frenetica. Il telescopio DAMPE, lanciato nel dicembre 2015, è stato progettato proprio per indagare la natura di queste particelle e cercare eventuali connessioni con la materia oscura. Al progetto ha contribuito in modo significativo il gruppo di astrofisica dell’Università di Ginevra.

Un comportamento identico per tutte le particelle

Analizzando i dati raccolti da DAMPE con una precisione senza precedenti, i ricercatori hanno scoperto qualcosa di notevole. Per ogni tipo di nucleo studiato, il numero di particelle inizia a calare in modo molto più rapido una volta superata una certa soglia energetica. Questo fenomeno si chiama spectral softening, letteralmente un “ammorbidimento” dello spettro. In pratica, oltre una rigidità di circa 15 teraelettronvolt, la caduta diventa improvvisamente più ripida. La rigidità misura quanto il percorso di una particella resiste alla deviazione causata dai campi magnetici.

Il punto davvero sorprendente è che questa soglia è la stessa per tutti i tipi di nuclei. Protoni, elio, carbonio, ossigeno, ferro: tutti mostrano lo stesso identico comportamento. Come ha spiegato Andrii Tykhonov, professore associato all’Università di Ginevra e coautore dello studio, i raggi cosmici vengono classificati anche in base alla loro energia, da pochi miliardi di elettronvolt fino a oltre mille miliardi. Ma il fatto che il “punto di svolta” sia universale cambia profondamente la comprensione dei meccanismi in gioco.

Questi risultati supportano con forza le teorie secondo cui l’accelerazione e la propagazione dei raggi cosmici nello spazio sono governate dalla rigidità. Contemporaneamente, i dati escludono con un livello di confidenza del 99,999% le spiegazioni alternative basate sull’energia per nucleone.

Il ruolo dell’intelligenza artificiale e dei rivelatori avanzati

Il gruppo di Ginevra ha avuto un ruolo centrale nella scoperta. I ricercatori hanno sviluppato metodi sofisticati basati sull’intelligenza artificiale per ricostruire gli eventi rilevati dal telescopio, contribuendo anche alle misurazioni dei flussi di protoni ed elio e all’analisi dei dati sui nuclei di carbonio. Inoltre, il team ha guidato lo sviluppo del Silicon Tungsten Tracker, uno dei rivelatori chiave di DAMPE, fondamentale per tracciare con precisione i percorsi delle particelle e determinarne la carica elettrica.

Quello che emerge da questo studio è un passo avanti significativo. Le nuove osservazioni restringono i margini dei modelli esistenti sull’accelerazione delle particelle nelle sorgenti astrofisiche e migliorano la comprensione di come i raggi cosmici si muovono attraverso lo spazio interstellare. Dopo un secolo di tentativi, sembra che la chiave per decifrare questi messaggeri cosmici fosse nascosta in una regola tanto semplice quanto universale. E adesso che qualcuno l’ha finalmente trovata, la partita si fa molto più interessante.

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Perché i fotorilevatori tradizionali non bastano più

La maggior parte delle fotocamere digitali si basa su semiconduttori che generano corrente elettrica quando vengono colpiti dalla luce visibile. Funzionano bene, ma hanno un limite strutturale: percepiscono solo una piccola fetta dello spettro elettromagnetico, un po’ come l’occhio umano, che vede solo le lunghezze d’onda della luce visibile e nulla di più. Per andare oltre quella finestra, i ricercatori si affidano da tempo ai rilevatori piroelettrici, dispositivi che producono un segnale elettrico quando si riscaldano assorbendo la luce in arrivo. Il problema? Per generare calore sufficiente dalle lunghezze d’onda più difficili da catturare servono materiali assorbenti spessi oppure fonti luminose molto intense. Il risultato sono dispositivi ingombranti e, soprattutto, lenti. “I rilevatori piroelettrici commerciali non sono molto reattivi”, ha spiegato Maiken Mikkelsen, professoressa di ingegneria elettrica e informatica alla Duke University. “Il nostro approccio integra in modo intelligente assorbitori quasi perfetti e materiali piroelettrici ultrasottili, raggiungendo un tempo di risposta di 125 picosecondi. Per il settore è un salto enorme.”

La metasuperficie che intrappola la luce

Il segreto del fotorilevatore ultrasottile sta in una struttura ingegnerizzata chiamata metasuperficie. Si tratta di nanocubi d’argento disposti con precisione su uno strato trasparente posizionato a soli 10 nanometri sopra una sottile lamina d’oro. Quando la luce colpisce un nanocubo, eccita gli elettroni dell’argento e ne intrappola l’energia attraverso un fenomeno noto come plasmonica. La frequenza esatta della luce catturata dipende dalle dimensioni dei nanocubi e dalla distanza tra loro. Siccome questo meccanismo di intrappolamento è estremamente efficiente, sotto la struttura basta uno strato piroelettrico sottilissimo per generare il segnale elettrico. Il concetto era stato dimostrato già nel 2019 dal laboratorio di Mikkelsen, ma quella versione iniziale non era progettata per misurare la velocità di risposta del dispositivo. “I fotorilevatori termici dovrebbero essere lenti, quindi è stato sbalorditivo per tutta la comunità”, ha raccontato Mikkelsen. “Ci ha colto di sorpresa scoprire che sembrava funzionare su scale temporali simili a quelle dei fotorilevatori al silicio.” Negli anni successivi, Eunso Shin, dottorando nel laboratorio di Mikkelsen, ha lavorato per affinare il design e sviluppare un metodo di misurazione della velocità che non richiedesse apparecchiature costosissime. Nella versione più recente, la metasuperficie è stata ridisegnata con una forma circolare anziché rettangolare: questo aumenta la superficie esposta alla luce e riduce la distanza che i segnali elettrici devono percorrere. Sono stati integrati strati piroelettrici ancora più sottili, forniti da collaboratori esterni, e il circuito elettronico è stato migliorato per catturare e trasmettere i segnali con maggiore efficienza.

Velocità record e scenari futuri

Per misurare le prestazioni del dispositivo, Shin ha ideato un setup sperimentale basato su due laser a retroazione distribuita. Le misurazioni hanno confermato che il fotorilevatore termico può operare a velocità fino a 2,8 GHz: a quel ritmo, la luce in ingresso produce un segnale elettrico in soli 125 picosecondi. “I fotorilevatori piroelettrici operano comunemente nell’ordine dei nano o microsecondi, quindi parliamo di centinaia o migliaia di volte più veloce”, ha commentato Shin. “I risultati sono davvero entusiasmanti, ma stiamo ancora lavorando per renderli ancora più rapidi, cercando di capire quale sia il limite cinetico dei fotorilevatori piroelettrici.” Il team crede che si possa guadagnare ulteriore velocità posizionando il materiale piroelettrico e i componenti di lettura elettronica nello spazio strettissimo tra i nanocubi e lo strato d’oro. Stanno anche esplorando configurazioni con più metasuperfici capaci di rilevare simultaneamente diverse lunghezze d’onda e la loro polarità. Man mano che lo sviluppo prosegue e le sfide produttive vengono affrontate, la tecnologia potrebbe dare vita a sistemi di imaging di nuova generazione. Il fatto che questi rilevatori non necessitino di alimentazione esterna li rende adatti all’impiego su droni, satelliti e veicoli spaziali. In agricoltura di precisione, ad esempio, potrebbero rivelare in tempo reale quali colture hanno bisogno di acqua o fertilizzante. “Quando si arriva alla capacità di rilevare molte frequenze contemporaneamente, si aprono le porte a tantissime possibilità”, ha detto Mikkelsen. “Diagnosi del cancro, sicurezza alimentare, veicoli per il telerilevamento. Sono tutte applicazioni ancora lontane, ma è la direzione in cui ci stiamo muovendo.” La ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials, è stata sostenuta dall’Air Force Office of Scientific Research e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.

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