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Alessandro Bettini Racconta i raggi cosmici

Particelle dallo spazio

Nei primi anni del secolo i fisici, come anche meteorologi, studiavano, tra le altre cose, come la radioattività influenzasse l’aria e l’atmosfera e misuravano con degli elettroscopi la ionizzazione indotta nelle molecole dell’aria dalla radioattività. Nel 1910-11 un meteorologo italiano che si chiamava Domenico Pacini pensò di allontanarsi dalle rocce della terraferma perché si aspettava che la loro radioattività nell’aria diminuisse.  Prese una nave e si allontanò dalla costa della Liguria di qualche centinaio di metri, dove i calcoli mostravano che la radioattività delle rocce doveva essersi ormai praticamente annullata, ma trovò ancora della radioattività.

Poi scese sott’acqua fino a 3 metri dove si aspettava che la radioattività dovesse diminuire ma trovò che continuava ad esserci. Quindi concluse, nel 1911, che doveva esserci una sorgente di radioattività che non era nelle rocce. Il problema fu risolto nel 1912 da Victor Hess il quale cominciò a fare misure della radioattività volando con dei palloni aerostatici e alzandosi sempre di più: si aspettava che, venendo la radioattività dalle rocce, alzandosi dovesse diminuire. La cosa effettivamente fu osservata fino ai 1000 m di quota ma andando oltre, arrivando fino a 5000 metri, cominciava a crescere. Concluse pertanto che questa radiazione doveva venire dal di fuori dal cosmo e per questo le venne dato il nome di raggi cosmici. I raggi cosmici fino agli anni ‘50 furono la sorgente per studiare le particelle elementari prima dell’avvento degli acceleratori. Ancora oggi sono importanti perché non vengono capiti del tutto. Arrivano con tutte le energie, sia basse sia anche altissime, anche più alte di quelle che realizziamo nel più potente acceleratore, l’LHC. Però al crescere dell’energia sono sempre più rari quindi per rivelarli occorrono insieme di rivelatori che coprano una superficie del terreno molto vasta, com’è il caso dell’esperimento Auger che è stato costruito da una collaborazione internazionale, inclusi gli italiani, nella pampa argentina e che copre ben 3000 km² con una serie di rivelatori sparsi sul terreno a formare una matrice.

Fermi fu sia un grande fisico teorico sia un grande fisico sperimentale, qualità praticamente unica sia nel secolo scorso che in questo. Nel caso dei raggi cosmici Fermi non fece esperimenti però diede un enorme contributo teorico. Nel 1949 scrisse un articolo in cui proponeva la teoria di come queste particelle, che sono protoni o nuclei, vengono accelerati ad energia così alte: quali sono gli acceleratori così potenti? Nel cosmo esistono delle “nuvole” che sono grandi anni luce e che contengono particelle cariche. Muovendosi queste nuvole cariche producono dei campi magnetici che variano rapidamente da punto a punto.

Supponiamo che ci sia una nuvola elettricamente carica che si muove in una certa direzione: un protone che si muove in direzione opposta e si infila dentro la nuvola trova dei campi magnetici che lo fanno deflettere e lo fanno tornare indietro. Ci vogliono milioni di anni perché questo succeda, ma poi torna indietro con energia più grande.  Però se lui andasse contro un’altra nuvola che si muove nella sua direzione o meno veloce rimbalzerebbe indietro con energia minore.  Possiamo immaginare di lanciare delle palle da tennis contro delle auto in corsa: se le lancio di fronte rimbalzeranno indietro con energia maggiore se le lancio sul lunotto posteriore rimbalzano indietro con energia minore.  Fermi calcolò rapidamente la probabilità di avere un urto frontale è molto maggiore di quello di avere un urto posteriore perché dipende dalla velocità relativa dei due.  In effetti un paio di anni fa un esperimento su un satellite della Nasa, che si chiama guarda caso Fermi LAT (large area Telescope), ha per la prima volta dimostrato che meccanismo di Fermi è quello che realmente funziona, almeno nella maggioranza di casi, anche se in una forma leggermente diversa: i nuvoloni sono i gusci delle stelle che esplodono: le supernove esplodono ed espellono strati che sono fatti di particelle cariche che si allontanano dalla stella madre velocemente. Urtando contro questi strati i protoni vengono accelerati.

I raggi cosmici sono ovunque, sono una pioggia continua che viene dall’atmosfera e arrivano al livello del terreno e piovono appunto dal cosmo. In ogni metro quadro del terreno arrivano in ogni secondo 10/20.000 particelle con energia sopra il miliardo di elettronvolt. I raggi cosmici che possono aiutarci a comprendere i fenomeni più energetici del cosmo e addirittura restituire informazioni sui primi istanti di vita dell’Universo, hanno le energie più varie: sia energia abbastanza bassa sia energie enormi

Ad esempio, ci sono anche particelle, nuclei, protoni che arrivano con concentrata nella loro piccolissime dimensione tutta l’energia che potrebbe avere una pallina da tennis lanciata nel servizio da un campione che la lancia A 100 anche più chilometri all’ora. Però il flusso di queste particelle di energia così alta è molto basso: servono chilometri quadrati di terreno attrezzato con relatori per poterne avere alcune all’anno, per esempio, come l’osservatorio Auger in Argentina. Per esperimenti molto delicati che osservano fenomeni naturali come i neutrini provenienti dal sole, per esempio, o decadimenti rari radioattivi i raggi cosmici costituiscono un problema perché danno un rumore di fondo. Come esempio, si può dire che le stelle di giorno ci sono, tra le quali anche quelle che si osservano di notte, però non le vediamo perché la luce del sole è troppo intensa. Quindi bisogna mettersi in un luogo dove ci sia una specie di silenzio cosmico, il  che vuol dire costruire dei laboratori profondi, sotto le montagne o dentro le miniere. Il principale laboratorio di questo tipo, il laboratorio del Gran Sasso d’Italia, è coperto quasi da 1500 m di roccia ed il flusso di raggi cosmici  è attenuato di un fattore un milione e, di conseguenza, esprimenti così delicati si possono fare.