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pubblicato il 19 giugno 2013 in spazio

Raggi cosmici

Raggi cosmici
Siete mai stati colpiti da un fascio di particelle ad alta energia? Sicuramente sì – accade ogni istante, solo non ce ne accorgiamo. Ogni secondo, infatti, il nostro pianeta è attraversato da particelle provenienti dallo Spazio. Il loro nome è raggi cosmici. Vengono definiti raggi ma si differenziano notevolmente dalla radiazione elettromagnetica che conosciamo.
A partire dal primo decennio del novecento i raggi cosmici hanno determinato uno dei principali campi di indagine della fisica delle particelle e il loro studio ha permesso di approfondire le conoscenze delle particelle subatomiche. Dopo 100 anni dalla loro scoperta, molto ancora c’è da capire sulla loro origine e su quali siano le interconnessioni con l’astrofisica, la fisica delle particelle e la fisica dell’atmosfera.

Cosa sono i raggi cosmici?
I raggi cosmici sono principalmente particelle subatomiche cariche, provenienti dalla Spazio, molto energetiche che viaggiano a una velocità prossima a quella della luce e che bombardano continuamente la Terra da ogni direzione.

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia. Colpiscono la Terra in ogni direzione e la loro interazione con l'atmosfera ha come risultato una sorta di doccia di particelle secondarie. Crediti: NASA

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia. Colpiscono la Terra in ogni direzione e la loro interazione con l’atmosfera ha come risultato una sorta di doccia di particelle secondarie. Crediti: NASA

Storia della scoperta
Alla fine del XVII secolo, Charles de Coulomb dimostrò che l’aria che costituisce l’atmosfera presenta una debole conducibilità elettrica, ossia gli atomi dell’atmosfera terrestre vengono continuamente ionizzati e le cariche liberate nel processo di ionizzazione sono le responsabili della conducibilità. Per spiegare il fenomeno di conducibilità venne ipotizzato che l’aria fosse ionizzata da raggi sconosciuti prodotti dalla radioattività naturale emessa dal nostro pianeta. Per la rivelazione delle radiazioni vennero impiegati gli elettroscopi il cui funzionamento era ben noto.

L'elettroscopio è un rivelatore di carica, permette di valutare se un corpo è elettricamente carico. È costituito da due bracci che si respingono tanto più quanto maggiore è la carica presente. Fonte: teamwayscientific.en.made-in-china.com

L’elettroscopio è un rivelatore di carica, permette di valutare se un corpo è elettricamente carico. È costituito da due bracci che si respingono tanto più quanto maggiore è la carica presente. Fonte: teamwayscientific.en.made-in-china.com

Si osservava che, anche in assenza di sostanze radioattive nelle vicinanze, gli elettroscopi si scaricavano, mostrando così chiaramente la presenza di una qualche forma di radiazione. Inoltre si osservava che tale radiazione era presente ovunque.
Se la radiazione fosse stata prodotta dalla Terra, ci si sarebbe aspettato che il segnale decrescesse esponenzialmente allontanandosi dal suolo. É proprio quello che cercò di verificare, nel 1910, Padre Wulf, quando portò l’elettroscopio sulla Tour Eiffel, a 300 metri di altezza. Il risultato fu esattamente l’opposto: il segnale diminuì molto meno del previsto.
Padre Wulf ipotizzò che questa radiazione fosse di origine extraterrestre. A sostegno di Padre Wulf si schierò il fisico italiano, Domenico Pacini, che con i suoi esperimenti condotti a bordo del cacciatorpediniere “Fulmine” arrivò alla conclusione che “esiste nell’atmosfera una sensibile causa  ionizzante, con radiazioni penetranti, indipendente dall’azione diretta delle sostanze radioattive del terreno”. Pacini arrivò a definire la natura extraterrestre dei raggi cosmici prima degli esperimenti del fisico Victor Franz Hess, considerato da sempre lo scopritore di tale radiazione. Infatti, a partire dal 1911, Hess portò avanti una serie di esperimenti in alta quota a bordo di palloni aerostatici.

Victor Hess dopo il volo di pallone nel 1912. Crediti: INFN

Victor Hess dopo il volo di pallone nel 1912. Crediti: INFN

Hess osservò che all’aumentare della distanza dal suolo, il livello della ionizzazione diminuiva, ma molto più lentamente di quanto ci si sarebbe aspettato, arrivando addirittura a stabilizzarsi verso i 700 metri. Nel volo effettuato nell’agosto del 1912 Hess raggiunse la quota di 5350 metri. Superati i 1500 metri osservò che il segnale cominciava ad aumentare, fino a raggiungere, a 5000 metri, un valore doppio rispetto al livello del mare. Hess spiegò i risultati ipotizzando la presenza di una nuova radiazione molto penetrante proveniente dallo Spazio, che attraversa l’atmosfera producendo i fenomeni osservati. Inoltre Hess osservò che l’intensità della radiazione non cambiava tra il giorno e la notte, tantomeno durante un’eclisse, quindi il Sole non poteva essere la sorgente di tale radiazione, ma doveva essere prodotta nello Spazio da sorgenti ben più lontane dal Sole. Era il 1912, quando fu scoperta la Höhenstrahlung, ossia la radiazione proveniente dall’alto! Hess ricevette il premio Nobel per questa scoperta nel 1936.
Il termine raggi cosmici venne coniato successivamente, nel 1925, da fisico statunitense Millikan. Egli credeva, infatti, che i raggi cosmici fossero esclusivamente radiazione elettromagnetica ad altissima energia, dei raggi gamma molto energetici. Rimanevano ancora aperti alcuni interrogativi: qual era l’origine dei raggi cosmici? E qual era la natura di tale radiazione? Si trattava di radiazione elettromagnetica di altissima energia o di particelle che viaggiano a velocità elevatissime?

La natura particellare dei raggi cosmici
Un grosso passo avanti nella comprensione della natura dei raggi cosmici venne compiuto con l’utilizzo simultaneo di diversi contatori Geiger, in grado così di definire la direzione di provenienza dei raggi cosmici. Questa tecnica venne sviluppata da Walther Bothe e Wener Kolhorster a Berlino, costruendo così il primo rivelatore di raggi cosmici.
Le misure furono condotte inserendo anche del materiale assorbitore tra i due contatori. I dati mostrarono chiaramente che i raggi cosmici erano capaci di attraversare blocchi di materiale pesante (per esempio oro) spesso fino a 4 cm. Si concluse che la radiazione cosmica non poteva essere costituita da radiazione gamma, ma doveva essere composta da particelle cariche altamente penetranti.

La traccia dei raggi cosmici e la scoperta di nuove particelle
Il fisico italiano Bruno Rossi inventò dei circuiti di coincidenza elettronici con i quali misurò coincidenze tra contatori sia piazzati verticalmente sia disposti orizzontalmente. In quest’ultimo caso ottenne la prima prova dell’esistenza di sciami di particelle secondarie.

I raggi cosmici, detti primari, sono costituiti essenzialmente da protoni ad alta energia. Essi colpiscono lo strato esterno dell'atmosfera e dall'interazione con i suoi atomi, si origina uno sciame di nuove particelle e di antiparticelle, detti raggi cosmici secondari. Fonte: physik.uibk.ac.at

I raggi cosmici, detti primari, sono costituiti essenzialmente da protoni ad alta energia. Essi colpiscono lo strato esterno dell’atmosfera e dall’interazione con i suoi atomi, si origina uno sciame di nuove particelle e di antiparticelle, detti raggi cosmici secondari. Fonte: physik.uibk.ac.at

Solo grazie all’utilizzo delle camere a nebbia il fisico russo Dmitry Skobeltzyn riuscì a fotografare le tracce lasciate dalle particelle cariche provenienti dall’atmosfera. E data la loro elevata energia, tali particelle non potevano essere il prodotto del decadimento di elementi radioattivi, ma dovevano essere i prodotti secondari dell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera. Nel 1932 durante gli esperimenti su i raggi cosmici utilizzando camere a nebbia, il fisico Carl Andersson osservò tracce di particelle con curvatura opposta a quella lasciata dagli elettroni. Fu scoperta così l’esistenza di una particella con uguale massa dell’elettrone, ma carica opposta, battezzata positrone.

La fotografia con la quale il fisico Carl stabilì l'esistenza del positrone. Grazie a questa scoperta Andersson vinse, nel 1936, il premio Nobel per la Fisica insieme al fisico Hess.

La fotografia con la quale il fisico Carl stabilì l’esistenza del positrone. Grazie a questa scoperta Andersson vinse, nel 1936, il premio Nobel per la Fisica insieme al fisico Hess.

All’inizio degli anni ‘30 era ormai chiaro che i raggi cosmici che giungevano a livello del mare erano costituiti certamente da elettroni e positroni. Esisteva qualcos’altro?
Nel 1937 Carl D. Anderson e Seth H. Neddermeyer e quasi contemporaneamente, J.C. Street e E.C. Stevenson  scoprirono l’esistenza di una nuova particella dotata di una massa a metà tra elettrone e protone, con un tempo di vita breve. Fu così rivelato il muone nei raggi cosmici. Dalla fine degli anni ’30 prende vita la fisica delle particelle elementari e i raggi cosmici verranno utilizzati per scoprire nuove particelle (come il pione) fino all’invenzione degli acceleratori di particelle negli anni ’50.
La camera a nebbia fu inventata da Charles T.R. Wilson nel 1911. Fu il primo strumento in grado di visualizzare la traccia di particelle ionizzanti. Quando una particella attraversa la camera, precedentemente riempita di vapore soprasaturo, genera  la condensazione di ioni lungo la sua scia. In questo modo è possibile osservarne a occhio nudo la traccia ed anche fotografarla.

Fotografia della camera a nebbia di Wilson. Fonte: dwb4.unl.edu

Fotografia della camera a nebbia di Wilson. Fonte: dwb4.unl.edu

Sciami di particelle
Nel 1938 Pierre Auger e Roland Maze osservarono che contatori Geiger posti a diversi metri l’uno dall’altro registravano contemporaneamente l’arrivo di particelle da raggi cosmici. Questo risultato dimostrava che particelle secondarie venivano prodotte a partire da una sorgente comune. Ossia l’interazione di particelle primarie con l’atmosfera produce una cascata di particelle secondarie che arriva fino a terra. Con questi esperimenti fu confermata definitivamente l’esistenza di sciami estesi di particelle, definite EAS (Extensive Air Shower)
Auger misurò anche che l’energia degli sciami arrivava a 1015 eV (un elettronvolt è l’energia acquistata da un elettrone libero quando passa attraverso una differenza di potenziale elettrico di 1 Volt), un’energia enorme per l’epoca, infatti, i limiti di energia osservati non superavano mai il Mev (106 eV).

Raggi cosmici primari e secondari
Quando una particella energetica (nel 90% dei casi un protone, nel 10% neutroni e nuclei fino al Ferro) attraversa l’atmosfera terrestre, la collisione con i nuclei dell’aria (mediamente a 10 km di altezza) dà vita a una cascata di particelle secondarie di energia più bassa, che a loro volta producono uno sciame di miliardi di particelle che raggiungono il suolo in un’area la cui estensione può essere anche di diversi chilometri quadrati.

I raggi cosmici primari non arrivano quasi mai a toccare il suolo, ma interagiscono con i nuclei di aria, a parecchi dieci chilometri di altezza. In tali collisioni, vengono create nuove particelle i nuclei. La maggior parte di queste sono pioni. Fonte: www.mpi-hd.mpg.de

I raggi cosmici primari non arrivano quasi mai a toccare il suolo, ma interagiscono con i nuclei di aria, a parecchi dieci chilometri di altezza. In tali collisioni, vengono create nuove particelle i nuclei. La maggior parte di queste sono pioni. Fonte: www.mpi-hd.mpg.de

Analizzando gli sciami si è scoperto che sono costituiti da quasi tutte le particelle oggi conosciute: nucleoni, nuclei, raggi gamma di elevata energia, mesoni di ogni tipo (π±,π0,K±, …), leptoni carichi (e±, μ±, τ±) e anche neutrini.

Che energie hanno i raggi cosmici?
I raggi cosmici possiedono energie che variano da circa 108eV fino a 1020eV e quelli di energia più bassa sono i più numerosi, mentre il numero diminuisce all’aumentare dell’energia. Infatti, il numero di raggi cosmici con energie di 1020eV è di circa 1 per km2 per secolo, motivo per cui è così difficile osservare eventi con particelle di energia elevatissima.
Gli eventi con energie di 1020eV sono quindi molto rari, ma il loro studio è fondamentale per capire da dove vengono e quale sia la sorgente che li produce. Risolvere questi misteri ci permetterebbe di rivoluzionare l’astrofisica, e di rispondere per esempio alle domande: “i raggi cosmici di energia elevatissima sono legati al Big Bang ? e alla materia oscura?”.
Va inoltre notato che energie così elevate non si possono raggiungere neanche nel grande acceleratore LHC al CERN, dove il limite massimo è di circa 14 TeV (1013 eV).

Origine dei raggi cosmici
I raggi cosmici sono dotati di carica elettrica, quindi sono soggetti a deviazione da parte  di campi magnetici galattici e anche dal campo magnetico terreste. Perciò quando arrivano in prossimità della Terra, vengono deviati dalla loro direzione originaria. Per questo motivo non siamo in grado di comprendere da dove provengono e quindi dove si originano.
A seconda però dell’energia dei raggi cosmici è possibile stabilire delle probabili sorgenti di origine.

Flusso dei raggi cosmici in funzione della loro energia. La parte su sfondo giallo è ritenuta essere di origine solare, la parte su sfondo azzurro di origine galattica, la parte di più  alta energia di origine extragalattica. Crediti: S. Swordy, Space Science Reviews 99, pp85–94

Flusso dei raggi cosmici in funzione della loro energia. La parte su sfondo giallo è ritenuta essere di origine solare, la parte su sfondo azzurro di origine galattica, la parte di più alta energia di origine extragalattica. Crediti: S. Swordy, Space Science Reviews 99, pp85–94

Dal grafico, che riporta il flusso di raggi cosmici incidenti con l’atmosfera terrestre in funzione dell’energia posseduta, si osserva che, per energie comprese tra 109 e 1010 eV la sorgente è il Sole, per energie tra 1010 e 1015 eV l’origine è galattica, legata probabilmente a esplosioni di supernove, per energie tra 1015 e 1019 eV l’origine è extragalattica, legata a nuclei galattici attivi o pulsar con intensi campi magneti.
Per energie superiori a 5 x 1019, noto come limite GZK (dal nome degli scienziati Greisen, Zatsepin, Kuzmin che lo hanno stabilito) l’origine è ancora sconosciuta e rappresenta il campo di ricerca più attivo di questi anni.

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

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