Premessa. Tavolo 7 Raggi cosmici

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1 Premessa Che cosa è la radiazione cosmica? Tutti noi conosciamo bene la radiazione visibile che ci giunge da quelle zone del cosmo che possiamo vedere proprio perché riveliamo la radiazione con lo strumento che tutti noi possediamo, i nostri occhi: la luce del Sole, delle stelle, dei pianeti, della luna, ecc. Ma dal cosmo giungono sulla Terra molte altre radiazioni che non vediamo: alcune sono radiazioni elettromagnetiche, quindi dello stesso tipo della luce, ma non sono visibili perché hanno lunghezze d onda che il nostro occhio non rivela, altre sono invece delle particelle microscopiche dotate di una massa estremamente piccola che hanno altissima energia perché sono state prodotte in interazioni di alta energia che avvengono nelle stelle oppure accelerate da quegli enormi acceleratori che sono i campi magnetici presenti nel cosmo. Grazie alla loro alta energia, attraversando la materia queste radiazioni sono in grado di ionizzare gli atomi, strappando gli elettroni al legame elettrostatico esercitato dalle cariche elettriche positive dei nuclei: questo è il motivo per cui vengono chiamate radiazioni ionizzanti. Ci sono anche radiazioni ionizzanti che non provengono dal cosmo ma dalla radioattività presente sulla Terra a causa degli isotopi instabili dei nuclei instabili che decadono nel tempo secondo leggi ben note emettendo appunto radiazioni ionizzanti. La radiazione cosmica e quella dovuta ai nuclei instabili formano la radioattività naturale. Nella scheda A di approfondimento trovi maggiori informazioni sulle due componenti della radioattività naturale, quella cosmica e quella terrestre. Ci sono molti modi di rivelare la radiazione ionizzante: negli esperimenti di questo tavolo la esploreremo attraverso due diversi tipi di rivelatore: - rivelatori geiger : raccolgono gli elettroni prodotti nella ionizzazione del gas contenuto in un piccolo tubo, che vengono moltiplicati attraverso urti a valanga e inviati a opportuni elettrodi producendo una piccolissima corrente che poi viene amplificata; il numero di urti può così essere contato e visualizzato (per approfondimenti si veda la scheda B). - rivelatori a scintillazione, collegati, attraverso una fibra ottica, a un fotomoltiplicatore a semiconduttore. Il principio di funzionamento di questi rivelatori è basato sulla raccolta della luce emessa dagli atomi che rimangono in uno stato eccitato quando sono colpiti dalla radiazione primaria che li ha ionizzati oppure dagli elettroni liberati con alta energia nel processo di ionizzazione e si diseccitano per ritornare allo stato fondamentale riemettendo l energia sotto forma di luce a lunghezze d onda particolari: questa luce viene convogliata attraverso una guida di luce e focalizzata su un dispositivo elettronico (il fotomoltiplicatore a semiconduttore) che utilizza la sua energia per generare un segnale elettrico che può essere elaborato in modo simile a quanto avviene per il geiger (per approfondire il fenomeno della scintillazione e il meccanismo di raccolta del segnale si veda la scheda C). Il lavoro del tavolo si articola in due esperimenti associati ai due tipi di rivelatore, che permettono di indagare in modo diverso le caratteristiche delle radiazioni ionizzanti e separare la componente cosmica da quella terrestre: 1

2 1) Misure ed esperimenti con rivelatori geiger. Verranno eseguiti due tipi di esperimenti: Parte A: si usano semplici contatori che utilizzano un piccolo tubo geiger in cui l energia depositata dalla radiazione ionizzante, come spiegato nella scheda B, viene raccolta e, attraverso una opportuna scheda elettronica, viene amplificata e digitalizzata permettendo così di contare il numero di particelle ionizzanti che colpiscono il rivelatore. I conteggi possono essere rilevati in diverse posizioni o in presenza di sorgenti debolmente radioattive e si possono confrontare i conteggi rilevati in situazioni diverse per studiare le variazioni della radioattività naturale; Parte B: si usa il rivelatore GAMMA-SCOUT che fornisce la misura dell attività media in unità dosimetriche permettendo così di prendere famigliarità con le unità di misura dosimetriche, cioè le unità di misura della radiazione ionizzante (per approfondimenti si veda la scheda D) 2) Misure ed esperimenti con scintillatori. Con gli scintillatori si possono costruire dei rivelatori più flessibili e più potenti di quelli basati sui geiger perché nello scintillatore l energia elettrica prodotta dalle radiazioni ionizzanti viene trasformata in energia luminosa che può essere raccolta in modo molto efficiente e, con i moderni dispositivi optoelettronici, trasformata in un segnale elettrico. Caratteristica importante è che, nella trasformazione dell energia della radiazione in energia luminosa si mantiene la proporzionalità diretta e tale proporzionalità viene mantenuta anche fra l ampiezza del segnale elettrico prodotto e l energia luminosa per cui, alla fine della trasformazione, l ampiezza del segnale elettrico è proporzionale all energia della radiazione ionizzante che ha colpito il rivelatore. Lo scintillatore ha anche altri vantaggi: - può coprire una superficie estesa, permettendo così di raccogliere un numero elevato di particelle ionizzanti in tempi brevi, - si possono disporre due scintillatori in geometrie diverse uno rispetto all altro e rivelare passaggi in coincidenza fra gli scintillatori, dovuti a particelle che hanno una energia elevata in grado di attraversarli entrambi: questa caratteristica permette di distinguere la radiazione cosmica, che è più energetica, dal resto della radioattività naturale. Le misure sono organizzate in tre parti: Parte A: si usa un solo scintillatore. Vengono eseguiti prima conteggi rilevati in diverse posizioni o in presenza di sorgenti debolmente radioattive confrontando i conteggi rilevati in situazioni diverse per studiare le variazioni della radioattività naturale, in modo simile a quanto fatto nella parte A dell esperimento 1. Si passa poi a esaminare sull oscillografo il segnale elettrico analogico la cui ampiezza, come spiegato sopra, è proporzionale all energia della particella ionizzante. Parte B: si usano due scintillatori in coincidenza. Vengono esaminati sia i conteggi dei singoli contatori che quelli delle coincidenze per capire la frazione di particelle di alta energia presenti nella radiazione che, come detto sopra, rappresenta la radiazione cosmica. I segnali vengono anche osservati sull oscillografo per verificarne la coincidenza temporale e quindi siano dovuti a alla stessa particella ionizzante che, viaggiando alla velocità della luce, ha attraversato i due scintillatori in tempi molto vicini. Parte C: si usa la scatola con i due scintillatori disponendola con orientazioni diverse rispetto alla verticale e ai punti cardinali (EST-OVEST) e ad altezze diverse nella casa per studiare la distribuzione spaziale della radiazione e il suo assorbimento nella materia. 2

3 Esperimento 1, parte A: la radioattività naturale esaminata con il contatore geiger Scopo dell esperimento - Misurare la radiazione di fondo in zone diverse, o in presenza di materiali radioattivamente sospetti - esprimerla in becquerel, valutare l incertezza di misura, - confrontare le misure fra di loro e valutare se le differenze sono statisticamente significative Osservazioni e misure 1. Come usare il contatore Geiger a) Osservare attentamente il rivelatore. Aiutandosi con le figure, individuare - la finestra di lettura: riporta il numero di conteggi. Per scegliere le unità, in cui si vuole che i conteggi siano espressi, occorre usare il bottone di selezione : la modalità da utilizzare è quella di conteggi totali, TOT, come in figura; - la levetta di posizione: in posizione OFF il rivelatore è spento e i conteggi vengono azzerati; per avviare i conteggi portarla in posizione 2 e far partire contemporaneamente il contasecondi; - il bottone di selezione: pigiando il bottone, si attivano le varie unità in cui esprimere i conteggi; premere più volte finché nella finestra di lettura compare la modalità TOT, come in figura; - la finestra di ingresso: la parte sensibile del rivelatore è posta dietro questa finestra. b) Per eseguire la misura, collocare il contatore in un posto preciso e non muoverlo per tutta la durata della misura. Per avviare la registrazione dei conteggi, spostare la levetta di posizione sul 2 e contemporaneamente far partire il contasecondi. Pigiare poi il bottone di selezione fino a quando nella finestra di lettura compare la modalità TOT. Si consiglia di lasciar andare avanti i conteggi per una decina di minuti. rivelatore visto dall alto rivelatore visto dal lato frontale bottone di selezione indicatore di posizione conteggi totali finestra d ingresso 3

4 2. Conteggi: unità di misura e incertezza a) L unità di misura dell attività è il bequerel (simbolo Bq), che è il numero di conteggi per secondo. Per calcolare l attività occorre quindi dividere il numero di conteggi effettuati per la durata dell intervallo di tempo espressa in secondi. Se, ad esempio, contando per 5 minuti si sono registrati 95 conteggi, i conteggi medi in 1s sono 95/300=0,32: questo valore è una misura dell attività. Come si vede, il numero medio di conteggi e quindi anche l attività non è in generale un numero intero: infatti non rappresenta un numero effettivamente registrato dal rivelatore (che può essere solo intero!), ma un numero ottenuto facendo la media sui conteggi registrati in molti secondi (in questo esempio i secondi di registrazione sono 300). b) L incertezza sul numero di conteggi è data dalla radice quadrata del numero stesso. Ad esempio, se si sono registrati 164 conteggi, l incertezza è pari a 164 =12,8, che si può arrotondare a 13. Il numero N di conteggi si esprime perciò come: N = 164 ± 13 c) Come propagare l incertezza. Supponete di aver ottenuto il conteggio N sopra riportato misurando per 9 minuti. Se volete calcolare il conteggio medio N 1s in un intervallo di tempo di un secondo, dovete dividere N 9m per 9*60=540. Quanto varrà l incertezza su N 1s? E semplice: basterà dividere anche l incertezza per 540. Ricordate di arrotondare il valore del risultato usando un po di buon senso! 3. Misura della radiazione di fondo in due diversi posti Per ogni posizione - descrivere brevemente la locazione - registrare l intervallo di tempo, il numero di conteggi con relativa incertezza statistica, - calcolare l attività in Bq con relativa incertezza Confronto fra le misure fatte nelle due posizioni - trovare un criterio che permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa, - suggerire altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni tratte in base al criterio sopra descritto. 4. Misura dell attività di un campione di materiale da esaminare a) Disporre il rivelatore con la finestra di ingresso vicino al campione da esaminare e avviare il conteggio. Lasciar andare avanti il conteggio per una decina di minuti badando a non spostare né il rivelatore né il campione. Mentre il conteggio prosegue, registrare anche, ogni secondi, tutti i valori intermedi utilizzando la tabella predisposta per l attività 5, in modo da poter riutilizzare i dati per l analisi temporale proposta in quella attività. Alla fine calcolare l attività totale registrata, che è la somma dell attività del campione più quella ambientale dovuta alla radiazione di fondo. Per ottenere la sola attività del campione, occorre sottrarre il valore di quest ultima, usando il valore determinato nelle misure precedenti (fare la media dei due valori). campione di sabbia conteggi totali b) Ripetere la misura e i calcoli dopo aver allontanato il rivelatore di una ventina di centimetri dal campione. c) Confronto fra le due misure - trovare un criterio che permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa. 4

5 5. Misura della distribuzione temporale e statistica di Poisson Minuti s Conteggi totali ogni s Per misurare la distribuzione temporale degli eventi occorre registrare quanti conteggi si verificano in un dato intervallo di tempo. L intervallo che si suggerisce è di secondi. Per acquisire i dati, basta registrare i conteggi totali a intervalli di s come predisposto nella tabella a fianco leggendoli al volo mentre il conteggio prosegue. Nella colonna accanto si calcolano poi le differenze fra i conteggi registrati in intervalli successivi. Per costruire la distribuzione, utilizzare la tabella sottostante nel seguente modo: se, ad esempio, nel primo intervallo di s si sono registrati 3 conteggi, segnare un x nella prima casella libera, partendo dal basso, della colonna che corrisponde al 3, se nell intervallo successivo si sono verificati 2 conteggi, segnare x nella cella sopra il 2, e così via. In questo modo alla fine si otterrà la distribuzione delle frequenze. Il conto può anche essere impostato direttamente sul foglio excel del file poisson

6 Esperimento 1, parte B: la radioattività naturale con il rivelatore GAMMA-SCOUT Scopo dell esperimento Simile a quello della parte A: cambia il rivelatore, che è più flessibile e può misurare, oltre ai conteggi singoli o accumulati nel tempo, il valore della radiazione mediato su un tempo prefissato ed espresso in micro sivert/ora (μsv/h, si veda la scheda in fondo al documento per le unità di misura dosimetriche) Osservazioni e misure 1. Come usare il contatore Geiger finestra di ingresso selezionatore a) Osservare il rivelatore. Aiutandosi con la foto, individuare - il selezionatore: posto al centro misura unicamente la radiazione γ che è la più penetrante, spostandolo verso destra accetta anche la radiazione α e β perché si sposta lo schermo posto sulla finestra di ingresso che blocca le radiazioni meno penetranti (il piccolo tubo geiger è posto subito dietro la finestra); - il display che mostra i valori misurati e le unità di misura; - per scegliere l unità di misura standard (μsv/h), in cui si vuole che i conteggi siano espressi, premere il bottone giallo in basso; - per scegliere di misurare i conteggi, premere il bottone nero centrale con il simbolo : verrà mostrato il numero di conteggi accumulato nel tempo; premendo nuovamente il bottone il conteggio si ferma; - il bottone centrale, Bq, dà i conteggi medi per secondo (che sono appunto i Bq) mediati su un minuto. b) Per eseguire la misura, collocare il contatore in un posto preciso e non muoverlo per tutta la durata della misura. Si può registrare il valor medio della radiazione in μsv/h, oppure i conteggi integrati su un tempo prefissato (da misurare separatamente con il cronometro) in modo simile a quanto fatto nella parte A. c) Si suggerisce anche di ripetere le misure di radiazione in posti diversi e confrontarle fra di loro e la misura in presenza della sorgente debolmente radioattiva come fatto nella parte A. per selezionare la misura in conteggi per selezionare la misura in (μsv/h) 6

7 Esperimento 2, parte A: la radioattività naturale esaminata con lo scintillatore Scopo dell esperimento - Misurare la radiazione di fondo in zone diverse, o in presenza di materiali radioattivamente sospetti - esprimerla in becquerel, valutare l incertezza di misura, - confrontare le misure fra di loro e valutare se le differenze sono statisticamente significative, - esaminare sull oscillografo il segnale analogico prodotto dalle trasformazioni dell energia della radiazione che avvengono nello scintillatore e nella scheda elettronica Osservazioni e misure Lo scintillatore e la catena di rivelazione uscita digitale scintillatore scheda elettronica SiPM SiPM uscita analogica Il rivelatore è formato da una lastra di scintillatore di 15 x 15 cm 2. La luce prodotta dal passaggio di una particella ionizzante è convogliata attraverso una fibra ottica verso un silicon PM che è un dispositivo a semiconduttore alloggiato sotto la cornice dello scintillatore. Il SiPM converte l energia luminosa in un segnale elettrico, cioè in un impulso di tensione elettrica di brevissima durata (per maggiori dettagli si veda la scheda di approfondimento C), che viene inviato alla scheda elettronica visibile sulla faccia superiore a lato dello scintillatore dove viene amplificato, mantenendo la proporzionalità fra l altezza del segnale uscente e quella del segnale entrante. Dalla scheda, il segnale viene inviato lungo due strade: - da un lato viene portato direttamente a un connettore presente sul pannello frontale (uscita analogica A), collegato tramite un cavo coassiale all oscillografo, - dall altro, con un componente elettronico che funziona da comparatore, viene confrontato con una soglia impostata sul comparatore (circa 0 mv) e, se il segnale ha un altezza superiore alla soglia, viene inviato a un componente elettronico che lo trasforma in un segnale digitale. Il segnale digitale è presente sul pannello frontale (uscita digitale D). Attraverso un cavo, che contiene anche i fili per alimentare l elettronica della scheda, il segnale digitale viene portato alla scatola di conteggio, che contiene tutta la logica digitale per far partire i conteggi dei segnali dei singoli scintillatori (pulsante di start ), arrestare il conteggio (pulsante di stop ) o azzerarlo ( reset ): i conteggi possono essere fatti contemporaneamente su due rivelatori separati. 7

8 Il dato in basso sulla scatola di conteggio è l intervallo di tempo della registrazione misurato in secondi. Il terzo conteggio partendo dall alto riguarda le coincidenze temporali fra i due rivelatori di cui si parlerà in dettaglio nella parte B dell esperimento. Che cosa fare 1. Esaminare come funziona la catena elettronica che permette di convertire il segnale lasciato nello scintillatore dal passaggio della particella ionizzante; riconoscere e individuare i diversi elementi: lo scintillatore, l elettronica associata allo scintillatore, i cavi che portano i segnali alla scatola di conteggio e all oscillografo. 2. Conteggi. Posizionare uno scintillatore sul tavolo e non muoverlo per tutta la misura. - Far partire i conteggi e fermarli dopo un intervallo di tempo fissato (almeno 40 s). Calcolare il conteggio per secondo (becquerel) e la relativa incertezza statistica come fatto nella parte A dell esperimento 1 (notare che i conteggi per secondo dello scintillatore sono molto maggiori di quelli del geiger a causa delle maggiori dimensioni del rivelatore). - Ripetere la misura e discutere la ripetibilità entro le fluttuazioni statistiche. - Mettere il campione di roccia debolmente radioattiva sopra lo scintillatore, eseguire i conteggi e determinare la differenza netta di conteggio dovuta alla roccia. - Capovolgere lo scintillatore, appoggiare sopra la roccia, ripetere misure e calcoli fatti per l altra posizione relativa della roccia, confrontare le due misure e, se la differenza è significativa, discutere il motivo della differenza. - Ripetere le misure, interamente o in parte, con l altro scintillatore. 3. Segnale analogico. Osservare sull oscillografo il segnale analogico prodotto dall energia depositata dalla particella. livello di soglia del trigger regolatore della soglia del trigger scala ordinate (mv/quadretto) canale 1 scala ascisse (ns/quadretto) canale 2 In particolare - esaminare l altezza tipica dei segnali (la scala in mv si legge nella scritta sotto la videata) e osservare la diversità fra i diversi segnali, dovuta alla diversa energia depositata al passaggio della particella: la maggior parte dei segnali ha un altezza molto bassa, sotto i 0 mv circa, pochi segnali hanno altezza maggiore; - operando sul livello di trigger (pomello nell ultima colonna a destra del pannello) si può variare la soglia che seleziona l altezza minima del segnale visualizzato: alzare la soglia fino a quando il numero di segnali che si vedono contemporaneamente sullo schermo è vicino al 8

9 numero medio di conteggi al secondo misurato nella prova 2 (l oscillografo è infatti stato impostato chiedendo un tempo di permanenza di 1 secondo); - esaminare infine la durata del segnale (scala in nanosecondi - ns nella scritta sotto la videata): la larghezza temporale del segnale non corrisponde ovviamente alla durata del passaggio della particella ionizzante attraverso lo scintillatore (che è molto minore, perché la particella, viaggiando a velocità prossime alla velocità della luce, attraversa lo spessore dello scintillatore in una frazione di nanosecondo) e neppure alle fluttuazioni nel tempo di propagazione lungo la fibra ottica, ma è il tempo impiegato dai componenti elettronici per ritornare allo stato iniziale dopo l eccitazione dovuta all energia portata dal segnale luminoso. 9

10 Esperimento 2, parte B: la componente cosmica della radioattività naturale Scopo dell esperimento Misurare il numero di passaggi in coincidenza attraverso due scintillatori piani messi parallelamente a una distanza variabile. Osservazioni e misure La cosmic box e la catena di rivelazione Come spiegato sopra, la scheda elettronica presente nella scatola dei conteggi è in grado non solo di contare i segnali digitali provenienti dai due scintillatori in un certo intervallo di tempo, ma anche di metterli in coincidenza, cioè controllare se, in uno stretto intervallo temporale Δt, arrivano contemporaneamente i segnali dai due scintillatori, che è indice del passaggio di una particella ionizzante attraverso entrambi gli scintillatori. L intervallo Δt è scelto in modo tale da essere abbastanza lungo perché entrambi i segnali digitali possano formarsi, ma sufficientemente corto da evitare coincidenze casuali dovute a due diverse particelle che casualmente si trovano a passare nello stesso intervallo di tempo attraverso i due scintillatori. Che cosa fare 1. Coincidenze casuali Porre i due rivelatori sul tavolo, uno accanto all altro, - usando lo stesso intervallo di tempo scelto per le misure della parte A dell esperimento, registrare i conteggi singoli e le coincidenze e calcolare le relative incertezze, - ripetere le misure e controllare che siano compatibili con le misure precedenti entro le incertezze statistiche, - calcolare il numero di coincidenze casuali atteso sapendo che l intervallo di tempo Δt entro il quale l elettronica accetta la coincidenza è pari a 0 ns. 2. Coincidenze dovute alla radiazione cosmica Porre i due rivelatori uno sotto l altro nella cosmic box come nella foto: - registrare i conteggi singoli e le coincidenze e calcolare le relative incertezze, - ripetere le misure e controllare che siano compatibili con le misure precedenti entro le incertezze statistiche, - scambiare i due contatori e ripetere le misure: esaminare e discutere le variazioni, - porre la roccia debolmente radioattiva sopra lo scintillatore che sta in alto, registrare le misure dei conteggi singoli e delle coincidenze e discutere le variazioni. La conclusione che si trae è che le coincidenze sono dovute alla componente di alta energia della radiazione che riesce ad attraversare entrambi gli scintillatori e che proviene dallo spazio. 3. Angolo solido sotteso dai due scintillatori La coincidenza fra i segnali dei due scintillatori può avvenire solo se la particella incide a un angolo α sufficientemente grande rispetto alla direzione orizzontale. Poiché tanα d/l (dove d è la distanza fra i due scintillatori ed l è la dimensione lineare che è dell ordine di 15 cm) variare la distanza fra i due scintillatori, continuando a mantenerli impilati nella cosmic box, e misurare il numero di coincidenze. d l α

11 Esperimento 2, parte C: alcune caratteristiche della radiazione cosmica Scopo dell esperimento Studiare la distribuzione spaziale della radiazione cosmica e il suo assorbimento nella materia. Osservazioni e misure 1. Conteggio delle coincidenze in funzione dell angolo di orientazione Misurare le coincidenze inclinando (con precauzione) di 30 circa la cosmic box nella direzione NORD/SUD e poi EST/OVEST. Registrare i dati e discutere le differenze trovate. 2. Conteggio delle coincidenze a diverse profondità Misurare le coincidenze portando la cosmic box a diversi piani della casa, posizionandola sempre verticalmente. Registrare i dati e discutere le differenze trovate. Mettendo insieme tutti i dati registrati, costruire un grafico di attenuazione del flusso di particelle in funzione della profondità e ricavate l effetto medio di schermo del singolo piano della casa. Eseguire anche qualche misura all aperto. 11

12 Scheda A: la radiazione cosmica e la radioattività naturale Cosa sono i raggi cosmici (da Le Scienze del 30 aprile 2002) La Terra è costantemente bombardata da particelle provenienti dallo spazio esterno chiamati raggi cosmici primari. Essi colpiscono la parte alta dell atmosfera dando origine a sciami di particelle che piovono giù su di noi ad ogni istante. In tutto il mondo diverse centinaia di queste particelle passano ogni metro quadrato ogni secondo. Esse attraversano anche i nostri corpi, ma sono completamente innocue perché la nostra atmosfera ci protegge dalle particelle di più alta energia che potrebbero causare danni biologici. La composizione primaria dei raggi cosmici va dai fotoni (privi di massa e di carica) ai neutrini, agli elettroni e protoni, fino ad arrivare ai nuclei di elementi pesanti come il piombo. Le sorgenti della maggior parte dei raggi cosmici che raggiungono la Terra sono ben note ed includono il Sole, le supernove, le stelle di neutroni, i buchi neri e i nuclei galattici attivi. Per i più energetici però non conosciamo bene la loro provenienza. L unica cosa che sembra sicura è che sembrano provenire dall esterno della nostra galassia. L Universo è simile ad un gigantesco acceleratore di particelle, che riesce a spingerle ad energie molto maggiori di quelle che possiamo raggiungere nei nostri laboratori sulla Terra. Tali energie sono di grande interesse per i fisici. Infatti fino al 1950 i raggi cosmici sono stati una delle più importanti scoperte dei fisici delle particelle. Ma i raggi cosmici sono imprevedibili, e con l avvento degli acceleratori di particelle la maggior parte della ricerca sulla fisica delle particelle fu trasferita nei laboratori tipo il CERN. Ai giorni nostri lo scopo principale dello studio dei raggi cosmici risiede nella comprensione delle loro sorgenti, il meccanismo di accelerazione e di propagazione attraverso la galassia. I fisici inoltre sperano di scoprire nuove particelle nelle interazioni dei raggi cosmici di alta energia con l atmosfera, particelle che avrebbero una massa troppo grande per essere create nei nostri laboratori. Uno scopo specifico è per esempio quello di identificare le particelle che costituiscono la misteriosa materia oscura dell Universo. Noi infatti sappiamo che la materia visibile in tutte le lunghezze d onda rappresenta solo il 5-% di tutta la massa presente nell Universo. Questo significa che non conosciamo la natura del 90% di tutta la materia che ci circonda! Gli studi sui raggi cosmici hanno indicato che i neutrini potrebbero avere una piccola massa. Se così fosse, essi potrebbero spiegare una frazione significativa della materia oscura perché ce ne sarebbero tantissimi. Ancora un altra finalità della fisica fatta con i raggi cosmici consiste nell investigare l osservazione che l Universo è apparentemente costituito tutto da materia e non vi è traccia di antimateria. Se scoprissimo la presenza nei raggi cosmici anche di un solo anti-atomo di ossigeno per esempio, ciò cambierebbe drasticamente questa nostra visione del mondo perché vorrebbe dire che da qualche parte nell Universo esisterebbero anti-stelle che da anti-idrogeno hanno prodotto anti-ossigeno e che quindi ci sarebbero ampie regioni dello spazio occupate da antimateria. La maggior parte dei raggi cosmici ha energie entro pochi milioni di ev, 6 ev. Recentemente comunque sono stati osservati raggi cosmici di 20 ev. Questa è una energia colossale, alcune centinaia di milioni di volte maggiore del più potente acceleratore di particelle esistente. E difficile immaginare da dove potrebbero arrivare questi raggi cosmici così energetici. Gli scienziati hanno proposto alcune idee fra cui quella di una super-esplosione, buchi neri massicci, e ancora relitti cosmici provenienti dall Universo primitivo. E verosimile che questi raggi cosmici di altissima energia contengano i segreti dell evoluzione e forse dell origine dell Universo. L origine dei raggi cosmici più energetici è sempre rimasta un mistero, ma alcuni astronomi hanno annunciato di averla forse trovata in quasar ormai estinti. Ogni qualche settimana, una particella subatomica colpisce l atmosfera terrestre con un energia maggiore di quella di una palla da tennis durante una partita. L impatto stimola un enorme cascata di particelle facilmente osservabili, ma gli 12

13 astronomi si sono sempre chiesti quali processi potessero dare tanta energia alle particelle. Una spiegazione è stata ora fornita durante il congresso dell American Physical Society, tenutosi ad Albuquerque, nel Nuovo Messico. Elihu Boldt, del Goddard Space Flight Center della NASA, e Didier Torres, della Princeton University, in New Jersey hanno scoperto che quattro galassie nell Orsa Maggiore sembrano coincidere con la sorgente di alcuni raggi cosmici registrati dall esperimento AGASA Cosmic Ray di Yamanashi, in Giappone. I raggi cosmici sono gli unici campioni di materia proveniente dall esterno del sistema solare che abbiamo a disposizione dice Michael Cherry, della Louisiana State University. Ora, per la prima volta, è stata identificata una sorgente specifica. Le quattro galassie candidate contengono buchi neri estremamente massicci, migliaia di volte più grandi di quello che si trova al centro della Via Lattea, e si pensa che in passato siano state dei quasar. Sebbene i buchi neri centrali ora siano dormienti, essi potrebbero ancora ruotare abbastanza rapidamente da accelerare, saltuariamente, una particella subatomica fino alle energie osservate, anche se il meccanismo non è ancora chiaro. In media su ogni chilometro quadrato della Terra si verifica l impatto di un raggio cosmico di alta energia una volta ogni secolo, rendendo difficile svolgere analisi statistiche convincenti. Fin da quando sono iniziate le osservazioni, alla fine degli anni settanta, sono stati contati solo 57 eventi. La maggior parte di questi sono stati osservati proprio da AGASA, che copre un area di 0 chilometri quadrati alla periferia di Tokyo. Ovviamente, l allineamento con le galassie potrebbe essere una coincidenza, ma anche la loro distanza sembra coincidere con le osservazioni. Raggi cosmici di queste energie non possono infatti viaggiare molto lontano, perché vengono facilmente assorbiti dai fotoni del fondo cosmico di microonde. Le quattro galassie si trovano a soli 0 milioni di anni luce da noi, una distanza relativamente modesta e consistente con la sorgente dei raggi cosmici. L uranio e la radioattività naturale: un po di storia I raggi cosmici rappresentano solo una componente della radioattività naturale, l altra importante componente deriva dai nuclei che sono instabili e quindi decadono nel tempo producendo vari tipi di radiazioni ionizzanti. Di questi il principale e anche il più noto è l uranio. Si tratta del 92 o elemento della tabella del Mendeleiev, noto già dai tempi di Mendeleiev perché abbastanza abbondante in natura. Oggi tendiamo ad associare l uranio a oggetti particolarissimi, come i reattori o le bombe nucleari oppure alle applicazioni militari, come nel caso delle testate di proiettili usati nella guerra del Golfo o in Kosovo. Al contrario, l uranio è un elemento molto diffuso: si trova, in tracce, un po dappertutto, nel nostro corpo stesso, nelle rocce, nei muri delle case, ecc., anche se in alcuni posti è più abbondante che in altri. Perché l uranio evoca immagini e suscita apprensioni che altri elementi della tavola del Mendeleiev non evocano? Perché è diventato il simbolo della radioattività e dell energia nucleare. Proprio grazie alle sue proprietà radioattive l uranio balzò, per così dire, alla ribalta della scena internazionale della ricerca scientifica poco più di un secolo fa, con la storica scoperta di Bequerel del Fino ad allora, gli atomi erano considerati i costituenti elementari della materia, assolutamente inscindibili, che potevano associarsi a formare delle molecole, ma mantenevano sempre, in tutte le molecole, le stesse caratteristiche che avevano quando erano isolati. Tali proprietà caratteristiche si riducevano sostanzialmente a due: il numero Z di cariche elettriche elementari: questo numero determina la posizione dell elemento nella tavola del Mendeleiev e quindi il suo nome, cioè la sua specie atomica, la massa M, che cresce al crescere di Z, ma in modo che non segue una semplice legge di proporzionalità. 13

14 Ecco, ad esempio, i dati dei primi elementi della tabella di Mendeleiev, che corrispondono ai primi due periodi : in ogni casella, il primo numero indica la Z, a cui corrisponde, oltre alla carica, il simbolo e il nome dell atomo, il secondo numero è il numero di massa, espresso nelle unità di misura convenzionali della fisica atomica, cioè in unità di massa atomica, u.m.a ,008 H numero atomico numero di massa in simbolo nome 2 4,003 He elio 3 6,941 Li litio 4 9,012 Be berillio 5,811 B boro 6 12,011 C 7 14,007 N azoto 8 15,994 O 9 18,998 F fluoro 20,180 Ne Nelle reazioni chimiche, gli atomi si riaggregano in modo diverso, formando diverse molecole, ma mantengono la loro identità. Ad esempio, nella combustione del metano, che è formato da un atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno (formula chimica CH 4 ), in presenza di ossigeno (O 2 ), si forma anidride carbonica (CO 2 ) e acqua (H 2 O), secondo la reazione: CH 4 + 2O 2 CO 2 + H H O O C + O C O H H O O quindi nessun atomo viene creato dal nulla ma neppure scompare. + H H O H O H Di qui seguono le due leggi base della chimica, considerate sacre e inviolabili fin dai tempi di Lavoisier (secolo diciottesimo): in ogni reazione chimica, si conservano le specie atomiche e la massa. In generale, tutti i fenomeni chimici e fisici noti alla fine del secolo scorso erano compresi e descritti in modo soddisfacente in base alla meccanica newtoniana e alle leggi dell elettromagnetismo. Quello che Bequerel scoprì era destinato a mettere in crisi non solo le due leggi di conservazione della massa e della specie atomica, ma l intero assetto dell interpretazione dei fenomeni su scala microscopica, perché sostanzialmente si trattava del primo esempio di una reazione non chimica, cioè di quella che oggi chiamiamo una reazione nucleare. Bequerel stava facendo ricerche su 1 L unità di massa atomica (u.m.a.) è l unità di misura delle masse atomiche ed è definita prendendo come riferimento non l atomo di idrogeno, come sarebbe naturale aspettarsi, dato che l idrogeno è l atomo più leggero, ma l isotopo più comune del carbonio, il carbonio 12, e vale 1/12 la massa di questo isotopo, cioè 1,66-27 kg. 14

15 diversi tipi di radiazione 2 usando dei sali di uranio, che erano noti per dare fenomeni di fluorescenza se esposti alla luce del sole, e aveva lasciato casualmente i sali a contatto con delle emulsioni fotografiche. Egli scoprì che le emulsioni si erano annerite, anche senza che i sali fossero stati esposti al sole e ne diede la causa a qualche strana radiazione emessa dall uranio, che venne chiamata radiazione uranica. Ci vollero quasi vent anni per giungere all interpretazione corretta di quanto era successo, nel frattempo erano avvenute tre cose importanti: si erano scoperti i fenomeni quantistici (Planck, 1901) e si era capito che nella descrizione del mondo microscopico non si possono applicare le leggi della meccanica newtoniana, Einstein (1905) aveva enunciato la sua teoria della relatività ristretta, dalla quale seguiva anche la stretta relazione fra massa ed energia, cioè il fatto che alla massa m di ogni oggetto è sempre associata una energia E, anche se l oggetto è perfettamente fermo, che è legata alla massa dalla relazione E=mc 2, dove c è la velocità della luce; si era capito che l atomo è formato da un nucleo massivo, con carica elettrica positiva, di dimensioni molto minori di quelle atomiche, e da elettroni, con carica negativa e molto più leggeri del nucleo, che si muovono intorno al nucleo stesso (Rutherford, 1908). La reazione osservata da Bequerel era un decadimento del nucleo dell atomo di uranio, che portava alla scomparsa dell uranio e alla formazione di due nuovi nuclei, il torio (Th, Z=90) e l elio (He, Z=2): 92U 90 Th + 2 He Quando il nucleo si trasforma, cambia anche la specie atomica corrispondente: nella reazione viene quindi chiaramente violata la legge di conservazione delle specie atomiche, perché scompare l atomo di specie atomica U, mentre vengono creati atomi di due specie atomiche che prima non erano presenti, Th ed He. Il decadimento dell uranio, inoltre, non rispetta neppure la legge di conservazione della massa, perché la somma delle masse del torio e dell elio dà un valore minore della massa dell uranio. I due nuclei, inoltre, escono con una certa energia cinetica, che per il torio è molto piccola, ma per l elio, che è molto più leggero del torio, è notevole e quindi anche la sua velocità è elevata. Rapidamente, in particolare grazie alle ricerche di scienziati come Rutherford e i coniugi Curie, si imparò a usare questa radiazione che proveniva dall uranio e la si chiamò radiazione α. Le domande che nascono sono molte: dove è finita la massa mancante? da dove proviene l energia cinetica 3 del raggio α? Perché l uranio decade? che cosa lo rende instabile? 2 Erano gli anni in cui era molto di moda studiare fenomeni di fluorescenza e di fosforescenza e, grazie a questi studi, si stavano scoprendo molti tipi di radiazioni, quali i raggi X e i raggi catodici. I raggi X furono scoperti casualmente da Roentgen nel 1895 e sono raggi della stessa natura dei raggi luminosi, ma di energia notevolmente più elevata. I raggi catodici sono invece costituiti da elettroni di elevata energia. Alla loro scoperta si giunse con una serie di esperimenti degli ultimi decenni dell Ottocento, anche se solo nel 1897 si ebbe l interpretazione chiarificante, basata sullo storico esperimento di J.J.Thomson che misurò la massa e la carica elettrica delle particelle che li costituiscono. 3 Il fatto che i raggi α avevano elevata energia cinetica fu sfruttato per condurre esperimenti molto prima che si capisse da dove questa energia proveniva. Tale energia era infatti migliaia di volte maggiore delle massime energie che si potevano ottenere coi raggi catodici, come discuteremo più avanti, e rendeva possibile eseguire esperimenti che prima non erano realizzabili, quali appunto gli esperimenti di Rutherford che condussero a capire la struttura atomica e il fatto che le dimensioni del nucleo sono enormemente minori di quelle degli atomi, e, più avanti, gli esperimenti per produrre reazioni nucleari, creare isotopi artificiali, isolare l altra particella elementare che costituisce i nuclei, cioè il neutrone (Chadwick, 1931). 15

16 se la massa e la specie atomica non si conservano, ci sono altre leggi di conservazione che assicurano la stabilità della materia? Come l uranio, molti sono i nuclei instabili e vi sono diversi tipi di decadimento radioattivo. Il torio stesso, che proviene dal decadimento α dell uranio, è a sua volta instabile e decade emettendo una radiazione diversa, che venne chiamata radiazione β : i raggi β sono particelle molto più leggere delle α, hanno carica elettrica negativa e sono semplicemente elettroni di elevata energia. 90Th 91 Pa + β +? (2) Essendo molto più leggeri degli α, i raggi β sono anche molto più veloci e fanno molta più strada nella materia prima di perdere la loro energia cinetica negli urti con gli elettroni e gli atomi del materiale che attraversano: le tracce che avevano annerito le emulsioni di Bequerel erano infatti soprattutto raggi β e quindi non provenivano direttamente dall uranio, ma dal torio prodotto dall uranio. Il nucleo che si forma nel decadimento β del torio è il protattinidio e ha Z=91, cioè una carica positiva in più rispetto al torio. Questo avviene per compensare la carica negativa della particella β, in modo che la somma algebrica della carica elettrica del nucleo di protattinidio e dell elettrone β sia pari alla carica elettrica del torio. Nei decadimenti nucleari, infatti, la carica elettrica si conserva: questa è una delle leggi di conservazione, valide anche nelle reazioni nucleari, a cui accennavamo sopra e che garantiscono la stabilità della materia. Una caratteristica dei decadimenti beta, che si capì solo anni dopo quando si fu in grado di misurare accuratamente l energia della particella beta, è che manca qualcosa al bilancio energetico: la particella beta infatti non viene prodotta sempre con la stessa energia, ma con energie che variano fra un minimo molto basso e un valore massimo. La domanda che sorse spontaneamente fu: Dove finisce l energia mancante? Per salvare la legge di conservazione dell energia Wolfgang Pauli propose, nel 1930, che esistesse una particella molto leggera, con carica elettrica nulla, che interagisce pochissimo con la materia e, per questo motivo, non viene rivelata: questa particella venne chiamata neutrino e rivelata sperimentalmente solo molti anni più tardi (perché in realtà interagisce con la materia, ma occorrono rivelatori molto sensibili per segnalarne la presenza). Questo è il motivo per cui nei decadimenti beta abbiamo aggiunto un?, proprio per segnalare la presenza di un prodotto aggiuntivo del decadimento. Anche il protattinidio è instabile e decade a sua volta β riportando ad avere di nuovo dell uranio: 91Pa 92 U + β +? (3) Si tratta però di un uranio diverso da quello di partenza, perché ha una massa molto minore: è infatti un isotopo, cioè un nucleo che ha la stessa Z, ma massa diversa. Per questo motivo, l abbiamo indicato con un apice accanto al nome, per distinguerlo dal capostipite : vedremo però più avanti un modo più chiaro per distinguere i due isotopi. Avendo la stessa Z, gli isotopi hanno lo stesso comportamento nelle reazioni chimiche, ma hanno comportamento molto diverso in quelle nucleari. Anche l U è instabile e decade dando di nuovo un torio, che però è diverso dal torio prodotto nel decadimento dell uranio progenitore. Questa è una caratteristica di molti decadimenti, cioè il fatto che si tratta di decadimenti a catena: il primo decadimento, infatti, quello dell uranio in torio, produce un nucleo instabile, il Th, che decade dando a sua volta un altro nucleo instabile, il Pa, che a sua volta decade dando l U, che a sua volta decade dando un altro nucleo instabile, e così via. La catena però a un certo punto si arresta, perché si arriva a un nucleo che è stabile, il piombo. Più avanti discuteremo più a fondo il problema delle catene di decadimenti radioattivi, quando avremo in mano più elementi per capirle. Ci sono altri tipi di decadimento radioattivo. Negli anni 30, infatti, i coniugi Joliot-Curie, scoprirono che esistono anche raggi β con carica elettrica positiva e massa identica a quella 16

17 dell elettrone: sono dei positroni, le antiparticelle degli elettroni 4. I decadimenti β vanno perciò distinti in decadimenti β - e β +. Un esempio di nucleo che decade β + è uno degli isotopi dell azoto, che ha Z=7: 7 N 6 C + β + +? Anche in questo caso è conservata la carica elettrica, perché il carbonio ha 6 cariche elettriche positive che, sommate alla carica positiva del β +, danno la carica del nucleo di partenza 5. C è infine un terzo tipo di decadimento nucleare, il decadimento γ: i raggi γ sono elettricamente neutri e sono raggi della stessa natura dei raggi luminosi o dei raggi X, ma di energia molto maggiore. Nel decadimento γ non cambia né il tipo di nucleo né il tipo di isotopo, anche se la massa del nucleo varia nel decadimento: questo è uno degli aspetti singolari della radioattività, che approfondiremo più avanti. I decadimenti γ sono generalmente associati ad altri tipi di decadimento: raramente infatti avviene un decadimento α o β che non sia anche preceduto o seguito da un decadimento γ. 4 Le antiparticelle sono una copia speculare delle corrispondenti particelle, nel senso che hanno la stessa massa ma hanno carica elettrica ed altre proprietà interne di segno opposto. Non solo gli elettroni, ma tutte le particelle che costituiscono la materia, in modo stabile o instabile, hanno le corrispondenti antiparticelle. L esistenza dell antimateria, cioè di questo mondo duale rispetto a quello abituale in cui viviamo che è formato da particelle, è una delle conseguenze previste dalla legge che descrive il moto dei corpi nella meccanica quantistica relativistica, cioè in quella meccanica che venne riformulata per tener conto sia degli effetti quantistici che di quelli relativistici (Dirac, 1927). 5 Questa reazione ha un interesse storico, perché fu proprio il primo esempio con cui i coniugi Joliot-Curie, nel 1934, mostrarono l esistenza del decadimento β +. Un altro aspetto importante fu anche il fatto che il nucleo di azoto che decade β + è un isotopo instabile del comune azoto che si trova nell atmosfera e fu creato artificialmente dai coniugi Joliot-Curie mediante una reazione nucleare in cui bombardavano con delle particelle α dei nuclei di boro: quindi si trattò anche del primo esempio di isotopo radioattivo artificiale. Oggi gli isotopi radioattivi artificiali sono molto comuni, non solo nella ricerca scientifica, ma anche perché hanno importanti applicazioni mediche. 17

18 Scheda B: rivelatori geiger Sono chiamati così perché furono inventati nel 1908 da Hans Geiger. Contengono dei gas particolari in un piccolo tubo sigillato; al passaggio della particella di alta energia gli atomi si ionizzano, cioè alcuni elettroni che formano gli atomi del gas vengono strappati al legame elettrostatico esercitato dalle cariche elettriche positive dei nuclei e rimangono liberi di muoversi nel gas. Applicando una forte differenza di potenziale elettrico fra un elettrodo centrale che corre lungo l asse del tubo caricato positivamente (anodo), e la parete del tubo (catodo), questi elettroni vengo attirati verso l anodo e acquistano progressivamente energia cinetica, diventando così in grado di ionizzare altri atomi che incontrano sul loro cammino. Alla fine si crea una vera e propria valanga di elettroni che, in un tempo brevissimo, arriva all anodo creando una piccola di corrente elettrica. Opportunamente amplificata, questa corrente è in grado di far scattare un contatore che registra così il passaggio della particella ionizzante. Scheda C: rivelatori a scintillazione Sono costruiti con dei materiali plastici trasparenti, di composizione particolare, collegati a un fotomoltiplicatore oppure, attraverso una fibra ottica, a una matrice di fotodiodi a valanga (SiPM, Silicon Photo Multiplier), come nella cosmic box. Il principio di funzionamento di questi rivelatori è basato sulla raccolta della luce emessa dagli atomi dello scintillatore che rimangono in uno stato eccitato quando sono colpiti dalla radiazione primaria che li ha ionizzati oppure dagli elettroni liberati nel processo di ionizzazione : quando l atomo si diseccita per ritornare allo stato fondamentale, riemette l energia sotto forma di luce a lunghezze d onda particolari che dipendono dal tipo di materiale di cui è fatto lo scintillatore (generalmente verde o blu), che può poi essere rivelata da opportuni dispositivi optoelettronici, come appunto il SiPM. Nella cosmic box viene usato un dispositivo elettronico a stato solido, sviluppato solo recentemente grazie ai forti sviluppi della microelettronica. Consiste di una matrice di 0 fotodiodi a valanga che coprono in modo molto compatto una superficie di 1mm 2 : ogni fotodiodo ha quindi una dimensione lineare di circa 0.1 mm. La luce prodotta nello scintillatore dal passaggio della particella ionizzante è raccolta da una fibra ottica e convogliata verso il SiPM alla cui superficie viene incollata badando a formare un buon raccordo ottico. I minuscoli fotodiodi del SiPM producono un segnale elettrico proporzionale al numero di fotoni in ingresso che viene fatto scorrere lungo la matrice attraverso particolari dispositivi elettronici, in modo da poter essere raccolti dall elettronica che pilota il SiPM e sommati per produrre un unico segnale elettrico. L ampiezza del segnale uscente è quindi proporzionale al numero totale di fotoni incidenti su tutti i fotodiodi e, di conseguenza, all energia depositata dalla particella ionizzante che ha attraversato lo scintillatore. 18

19 Scheda D: sorgenti di radiazione, unità di misura dosimetriche, rischio da radiazione Sorgenti naturali di radiazione: - raggi cosmici - radionuclidi presenti nell ambiente (uranio, radon) - radionuclidi presenti nel corpo (40K, 14C) Unità dosimetriche Sono state introdotte per valutare gli effetti sul un corpo dell assorbimento di energia dovuta alle radiazioni di origine nucleare ( ionizzanti ). Unità di misura: - attività bequerel (Bq): numero di particelle ionizzanti che colpisce il corpo; l unità storica, peraltro ancora usata, è il curie (Ci), che è pari a 3,7 Bq - dose assorbita gray (Gy): energia depositata per kg di peso; 1Gy = 1J/kg - dose equivalente sievert (Sv): dose assorbita per il fattore di qualità della radiazione (alto per neutroni e nuclei pesanti, =1 per elettroni e gamma); - esposizione roengten (R): è una unità di misura storica, peraltro ancora usata, ed è la carica elettrica, di ambo i segni, che si sviluppa nello sciame prodotto al passaggio in aria della particella ionizzante (1R=2,58 C/kg). Tipicamente - la radiazione cosmica è circa 0,3 msv/anno al livello del mare (circa il doppio a 00 m) - i radionuclidi presenti nel corpo umano producono una dose di circa 0,3 msv/anno - la radioattività ambientale varia molto da zona a zona Radioattività ambientale in alcune città italiane (msv/anno) Ancona 0.85 Napoli 2.13 Aosta 0.49 Palermo 0.90 Bari 0.83 Perugia 0.86 Bologna 0.80 Potenza 1.31 Cagliari 0.86 Reggio Cal Campobasso 0.69 Roma 1.58 Firenze 0.77 Torino 0.86 Genova 0.75 Trento 0.84 L Aquila 0.82 Trieste 0.76 Milano 0.82 Venezia 0.77 Limite raccomandato di esposizione: 15 msv/anno Dose letale : 2,5-3 Sv Per tipici contatori geiger usati per la didattica si può stimare: - una massa di circa 1 g nella zona sensibile - energia media depositata dalla singola particella circa -13 J (0,5 MeV) 19