Storia raggi cosmici, Appunti di Fisica Tecnica Ambientale

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Quando alziamo gli occhi al cielo in una notte stellata osserviamo molti puntini luminosi ma non possiamo vedere la miriade di particelle che in quel cielo vaga, magari da milioni di anni prima di giungere sulla terra e bombardare la nostra atmosfera. Si tratta dei raggi cosmici che possono essere raggruppati in una grande varietà di specie e di energie. Oggi sappiamo che il 99% della radiazione cosmica è composta da nuclei atomici. Il resto sono fotoni, elettroni, neutrini e tracce di antimateri. Al contatto con l’atmosfera collidono con i nuclei di cui è composta producendo nuove particelle che a loro volta interagiscono o decadono creandone altre. (Sciami)

I “raggi cosmici” sono un fenomeno naturale che ha origine al di fuori dell’atmosfera terrestre ma, fino agli albori del Novecento, non se ne prevedeva l’esistenza. Gli esperimenti che ne hanno permesso la scoperta avevano piuttosto l’intento di studiare il fenomeno di ionizzazione dell’aria che, a quel tempo, si riteneva dovuto solo alla propagazione della radiazione naturale terrestre. La ricerca nel campo dei Raggi Cosmici si è sviluppata come uno dei più spettacolari e vitali contributi alla scienza del XX secolo dando origine a nuove discipline scientifiche (fisica delle particelle elementari), nuove tecnologie (rivelatori, acceleratori), nuovi concetti in astrofisica (meccanismi di produzione e di accelerazione). Nel corso di un secolo, la conoscenza del fenomeno “raggi cosmici” si è notevolmente arricchita ma ancora molte domande non hanno avuto risposta, particolarmente quelle relative ai cosiddetti EECR, i raggi cosmici di energia superiore a 5•10^19 eV. Oggi lo studio dei raggi cosmici di più alta energia è parte integrante delle “astroparticelle”, campo multidisciplinare in cui convergono temi, conoscenze e problematiche di astronomia, astrofisica, fisica particellare

Nel mondo “macroscopico” l’energia è espressa in joule. Nel mondo “microscopico” è espressa in elettronVolt (eV) 1eV≈1.6•10^-19 joule 0.03 eV molecola di ossigeno nell’aria 1 eV fiamma di un cerino 10^2 ÷10^5 eV raggi X 50 •10^3 eV energia degli elettroni in un tubo televisivo 10^6 ÷10^7 eV decadimento radioattivo ~ 10^13 eV energia massima negli acceleratori di particelle 10^9÷10^21 eV intervallo di energia di interesse dei raggi cosmici

5.10^19 eV EECR 6 • 10^19 eV ≈10J energia cinetica di una pallina di tennis lanciata da un giocatore esperto tutta concentrata in una singola particella subatomica (massa del protone ~ 10^-27 kg)

La storia dei raggi cosmici

Le radiazioni emesse da sostanze radioattive venivano rivelate all’inizio del XX secolo mediante elettroscopi, che indicavano la presenza di agenti ionizzanti.

Agli inizi del 1900 venne ipotizzato che l’aria fosse ionizzata da misteriosi “raggi” originati dalla radiazione naturale emessa dal nostro pianeta. Gli esperimenti per lo studio dei misteriosi “raggi” utilizzavano principalmente gli elettroscopi. Anche quando non c’era alcuna sostanza radioattiva nelle vicinanze, gli elettroscopi tuttavia si scaricavano, indicando una qualche forma di radiazione. Questa era presente ovunque, anche sul mare (lontano dalle rocce), o in presenza di

Nel 1907 Padre Theodore Wulf perfezionò l’elettrometro, un apparato strumentale stabile, resistente agli urti e alle vibrazioni, (composto da un elettroscopio a fibre di quarzo e da un microscopio con scala graduata), per misurare la radiazione naturale terrestre. Era già noto che il segnale dovuto alla radioattività decresce in modo esponenziale quando ci si allontana dalla sorgente di radiazione. Nel 1910 portò degli elettroscopi sulla Torre Eiffel, misurando una quantità di radiazioni maggiore del previsto. Egli fece l’ipotesi che questa radiazione fosse di origine extraterrestre, proponendo di fare delle misure a bordo di palloni aerostatici per verificare questa ipotesi..

A partire dai 1500 metri di quota, il segnale iniziò a crescere finchè a 5000 metri raggiunse un livello addirittura doppio del segnale di fondo che la strumentazione misurava al suolo. Hess ne concluse che: “I risultati delle presenti osservazioni potrebbero essere spiegati assumendo che una radiazione di potere altamente penetrante entra nella nostra atmosfera dall’esterno, ed ancora produce, nei livelli più bassi, parte della ionizzazione osservata in laboratorio”. Durante la campagna di voli del 1912, Victor Hess trovò inoltre che il segnale di ionizzazione (e quindi l’intensità della radiazione), aveva valori molto simili sia durante il giorno che durante la notte e non diminuiva sensibilmente nel caso di eclissi solare (volo del 12 aprile).

Da ciò egli concluse che il Sole non poteva essere la sorgente primaria della “misteriosa radiazione” ma che la radiazione dovesse giungere dallo spazio esterno più lontano del Sole: nasce così la fisica dei raggi cosmici. i “raggi cosmici”(o “radiazione cosmica”) furono così denominati nel 1925 da Robert Millikan che credeva fossero raggi gamma di alta energia. Oggi sappiamo che la maggior parte della radiazione cosmica è costituita da particelle anziché da radiazione elettromagnetica,ma il termine “raggi cosmici”, nella sua più moderna definizione introdotta da Dimitry Skobeltzyn nel 1928, è rimasto nell’uso comune.Con la scoperta della “Höhenstrahlung”, la “radiazione proveniente dall’alto” Victor Hess venne in seguito riconosciuto quale “padre ufficiale della fisica dei raggi cosmici” e vinse il Nobel nel

Per eseguire gli esperimenti era necessario compiere materialmente, in più persone, le ascensioni in pallone per effettuare le misure. Il gruppo di Millikan, a metà degli anni 20, sviluppò degli elettrometri capaci di registrare le misure senza bisogno di operatori umani, estendendo le rivelazioni con palloni senza equipaggio fino a grandi altezze. Millikan Nel 1925 in California Robert Millikan e George Cameron misurarono la ionizzazione nelle acque di due laghi di montagna alimentati dallo scioglimento delle nevi per definire, una volta per tutte, la questione dell’esistenza o meno di una piccola radiazione molto penetrante di origine cosmica. Dai risultati ottenuti, Millikan e Cameron conclusero che tale radiazione penetrante esiste ed è proprio di origine cosmica.

Poiché la radiazione più penetrante nota fino a quel momento erano i raggi gamma, Millikan e altri ritennero che i raggi cosmici fossero raggi gamma di alta energia, derivanti dalla sintesi degli elementi pesanti a partire dai nuclei leggeri. Robert Millikan controlla gli strumenti di misura di raggi cosmici installati su di un pallone (1938)

I vantaggi di questo rivelatore erano l’alta sensibilità alle radiazioni, dovuta all’elevato campo elettrico: anche una particella debolmente ionizzante avrebbe prodotto una scarica nel contatore e quindi un segnale misurabile.

Un altro vantaggio era la possibilità di utilizzare più contatori insieme, per definire la direzione di provenienza dei raggi cosmici. Questa possibilità venne sviluppata da Walther Bothe e Wener Kolhorster a Berlino, costruendo il primo “telescopio” per raggi cosmici. W.Bothe W.Kolhorster Le prime misure di coincidenza fatte con contatori Geiger connessi ad elettrometri mostrarono un grande numero di raggi cosmici di cui, il 75 %, erano capaci di attraversare anche blocchi di materiale pesante (Oro) di 4 cm di spessore; dunque la radiazione cosmica doveva essere costituita da particelle cariche altamente penetranti, e non da gamma.