Cosa sono i Raggi Cosmici?
I Raggi Cosmici sono particelle e nuclei atomici di alta energia che, muovendosi quasi alla velocità della luce, colpiscono la terra da ogni direzione. Come dice il nome stesso, provengono dal Cosmo, cioè dallo spazio che ci circonda. La loro origine e’ sia galattica che extragalattica.
L’esistenza dei Raggi Cosmici fu scoperta dal fisico tedesco Victor Hess agli inizi del ventesimo secolo. All’epoca gli scienziati si trovavano di fronte a un problema che non riuscivano a spiegare: sembrava che nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale.
Nel 1912, il coraggioso Hess decise di tentare un esperimento per risolvere la questione ancora aperta (Figura 1). Egli caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per misurare le particelle cariche detto elettroscopio a foglie e intraprese un viaggio che dimostrò come la quantità di particelle cariche (e quindi di radiazione) aumentava con l’altitudine. Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre (come la radioattività naturale) ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici.
Victor Hess ricevette il premio Nobel per la sua scoperta nel 1936. Dal suo primo esperimento ad oggi i raggi cosmici sono stati intensamente studiati e adesso sappiamo molte cose sul loro conto. Da misure fatte su palloni aerostatici a grande altitudine o su satelliti sappiamo che la grandissima maggioranza dei raggi cosmici e’ costituita da protoni (circa 90%). Abbiamo poi nuclei atomici (ovvero atomi privi dei loro elettroni) di svariati elementi, da quelli più leggeri come l’elio (circa 9%) fino ai più pesanti (circa 1%) come ferro e addirittura uranio.
Figura 1: Victor Hess e l'esperimento che portò alla scoperta dei raggi cosmici.
Sia i protoni che i nuclei sono carichi positivamente quindi la quasi totalità dei raggi cosmici ha carica positiva. Essi contengono però anche una piccola percentuale di elettroni, positroni, fotoni e altre particelle subatomiche.
Dal 1920 al 1950, fino all’affermazione delle macchine acceleratici di particelle, i raggi cosmici furono di estrema importanza per la fisica delle alte energie in quanto costituivano una sorgente naturale di particelle, spesso sconosciute. Lo studio dei raggi cosmici portò infatti alla scoperta del positrone e del muone, quest’ultima ad opera dei fisici italiani Conversi, Pancini e Piccioni.
Che energia hanno i Raggi Cosmici?
I Raggi Cosmici hanno energie che variano in un intervallo molto ampio. La loro energia si esprime nell’unita’ di misura chiamata elettronvolt (eV) e va da circa 108 eV (ovvero 100 MeV) fino a 1020 eV, che corrisponde all’energia cinetica di una pallina da tennis lanciata a 100 km/h .
I Raggi Cosmici di energia più bassa sono i più numerosi, mentre il loro numero diminuisce all’aumentare dell’energia. Per esempio, il numero di raggi cosmici che arrivano sulla Terra con energia intorno a 1 GeV e’ di circa 1 per m2 per secondo ma diventa 1 per m2 per anno a 106 GeV e addirittura solo 1 per km2 per secolo alle energie più alte mai osservate (1020 eV).
Per questo motivo e’ molto difficile riuscire ad osservare i raggi cosmici di energia elevatissima. Nonostante questa difficoltà molti esperimenti cercano di rivelarli per poter rispondere alla domanda ancora senza risposta: da dove vengono e da cosa sono prodotti?
Da dove vengono i Raggi Cosmici?
Poiché i raggi cosmici sono dotati di carica elettrica, essi vengono deviati dai campi magnetici galattici e dal campo magnetico terreste quando arrivano in prossimità della Terra. La loro direzione originaria viene modificata e per questo motivo non possiamo capire da dove essi hanno origine (Figura 2).
Figura 2: La traiettoria di un raggio cosmico carico (1) viene deviata dal campo magnetico terrestre, mentre un raggio cosmico neutro (2) mantiene la direzione di provenienza.
Si pensa che i Raggi Cosmici, almeno quelli con energie fino a 1015 eV, vengano accelerati in seguito alle esplosioni di Supernovae nella nostra Galassia. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare ed e’ in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle che vediamo nei raggi cosmici.
Per quanto riguarda i raggi cosmici di altissima energia, ancora non si e’ riusciti a scoprire la loro origine, ma moltissimi esperimenti sono in corso.
Come possiamo rivelare i Raggi Cosmici?
Quando i Raggi Cosmici entrano nell’atmosfera terrestre collidono con i nuclei di cui essa e’ composta. In queste collisioni viene prodotto un gran numero di particelle che a loro volta interagiscono o decadono creandone delle altre. Il risultato e’ quello che viene chiamato “shower”, ossia doccia di particelle (Figura 3). Molte di esse, soprattutto elettroni, muoni, fotoni e neutrini arrivano fino alla superficie terrestre e vengono chiamate raggi cosmici secondari per distinguerli da quelli primari che hanno colpito l’atmosfera.
Figura 3: Pioggia di particelle creata dall'interazione di un raggio cosmico con l'atmosfera.
Se vogliamo rivelare i raggi cosmici primari, dobbiamo usare esperimenti posti su satelliti in orbita, che riescono a “catturare” i raggi cosmici prima che essi interagiscano con l’atmosfera. Con questo metodo si riescono a rivelare bene i raggi cosmici fino ad energie non troppo elevate.
Quando l’energia aumenta e il flusso di raggi cosmici diventa molto basso, bisogna avere esperimenti di grande superficie, che per ovvi motivi non possono essere montati su satelliti. Per raggi cosmici di energia elevata si usano esperimenti sulla superficie terrestre o in laboratori sotterranei (Figura 4). Questi esperimenti rivelano i raggi cosmici secondari prodotti nell’interazione del primario con l’atmosfera. Dalle caratteristiche dello “shower” di particelle si può ricavare l’energia e la direzione del raggio cosmico primario.
Gli esperimenti sotterranei possono rivelare solo i muoni e i neutrini secondari, in quanto queste sono le uniche particelle che possono arrivare in profondità sottoterra o sotto una montagna. La superficie dell’esperimento deve essere tanto più grande quanto più elevata e’ l’energia dei raggi cosmici che si vogliono rivelare. Per raggi cosmici di energia uguale o maggiore di 1020 eV servono esperimenti sparsi su una superficie grande quanto la provincia di Roma!
Note:
- elettronvolt: Un elettronvolt e’ l’energia acquistata da un elettrone libero quando passa attraverso una differenza di potenziale elettrico di 1 Volt. I suoi multipli piu' usati sono il kilo-eV (1 keV = 103 eV), il Mega-eV (1 MeV = 106 eV) e il Giga-eV (1 GeV = 109 eV).
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