TAVOLO 7 RAGGI COSMICI

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1 STAGE DI FISICA Marzo 2012 TAVOLO 7 RAGGI COSMICI Paolo Tamagno (1), Luca Torchio (2), Andrea Chiavassa (3) con il contributo di Lorenzo Meriano e Fausto Patrone (1) Liceo Scientifico Curie di Pinerolo (2) Liceo Scientifico Galilei di Ciriè (3) Dipartimento di Fisica Generale dell Università di Torino 1. I muoni nei raggi cosmici 2. Semplici misure con un rivelatore Geiger 3. La cosmic box Approfondimenti e integrazioni - Che cosa sono i raggi cosmici - I raggi cosmici in Italia - Scheda di uso dei moduli elettronici NIM

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10 Monitoraggio della radioattività ambientale Scheda di rilevamento dati 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

11 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 (maggiori informazioni sulle unità di misura della radioattività sono date in appendice). 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) Correzione per la risposta del rivelatore. Volendo confrontare fra di loro i dati ottenuti dai diversi rivelatori, occorre correggere per la diversa soglia di sensibilità di ciascuno. Ogni rivelatore infatti, per piccole diversità nella composizione della sostanza sensibile o per piccole differenze nell elettronica di controllo, ha una propria soglia energia depositata al passaggio di una particella ionizzante, al di sotto della quale il passaggio non viene più rivelato e quindi non scatta il conteggio. I conteggi di tutti i rivelatori sono quindi stati confrontati in eguali condizioni ed è così stata determinata una costante di calibrazione per la quale va moltiplicata la media ottenuta al punto precedente al fine di poter confrontare le diverse misure. c) 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 d) 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. Inoltre, se la costante di calibrazione è diversa da 1, dovrete moltiplicare anche l incertezza per la costante di calibrazione. Ricordate di arrotondare il valore del risultato usando un po 3. Misura della radiazione di fondo in due diversi posti a) Prima posizione - breve descrizione della locazione. conteggi ±.. ; intervallo di tempo. min =. s - attività ±. Bq b) Seconda posizione - breve descrizione della locazione conteggi ±.. ; intervallo di tempo. min =. s - attività ±. Bq c) Confronto fra le misure fatte nelle due posizioni - trovate un criterio che vi permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa, - suggerite altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni tratte in base al criterio sopra descritto. 2

12 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 10 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 - conteggi ±.. ; intervallo di tempo. min = s - attività totale ±. Bq - attività del campione ±. Bq b) Ripetere la misura e i calcoli dopo aver allontanato il rivelatore di una ventina di centimetri dal campione. - conteggi ±.. ; intervallo di tempo. min = s - attività totale ±. Bq - attività del campione ±. Bq c) Confronto fra le due misure - trovate un criterio che vi permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa, - suggerite altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni tratte in base al criterio sopra descritto. 3

13 Unità di misura 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 Æ 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, Bq - dose assorbita Æ gray (Gy): energia depositata per kg di peso; 1Gy = 1J/kg - dose equivalente Æ sievert (Sv): dose assorbita per il fattore di qualità della radiazione (alto per neutroni e nuclei pesanti, =1 per elettroni e gamma); - esposizione Æ 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, C/kg). Tipicamente - la radiazione cosmica è circa 0,3 msv/anno al livello del mare (circa il doppio a 1000 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 annua: 15 msv/anno Dose letale: ~ 3 Gy 4

14 Misura di raggi cosmici con la cosmic box Scopo della misura Misurare il numero di passaggi in coincidenza attraverso la cosmic box, formata da due scintillatori piani messi parallelamente a una distanza variabile, spostabili facilmente in diverse zone La cosmic box È un rivelatore di particelle ionizzanti formato da due lastre di scintillatore di 15 x 15 cm 2, parallele fra di loro, poste a una distanza che può essere variata fino a un massimo di 28 cm. La luce prodotta in ciascun scintillatore dal passaggio di una particella ionizzante è convogliata da guide ottiche verso una camera a CCD. I segnali in uscita dai due CCD sono inviati a una piastra centrale che contiene l elettronica con la logica di conteggio. Selezionando il solo scintillatore superiore (selettore di sinistra) oppure il solo scintillatore inferiore (selettore di destra) si hanno i rispettivi conteggi singoli, selezionandoli entrambi si contano le coincidenze fra i due scintillatori, cioè il passaggio di una particella attraverso entrambi gli scintillatori. I pulsanti a destra di start, stop e reset fanno partire il conteggio, lo arrestano o riazzerano il contatore. Osservazioni e misure 1. La catena di rivelazione scintillatore - Esaminare come funziona la catena elettronica che permette di convertire il segnale lasciato nei singoli scintillatori dal passaggio della particella ionizzante; riconoscere e individuare i diversi elementi: i due scintillatori, l elettronica associata al singolo scintillatore, i cavi che portano i segnali alla scheda elettronica centrale; - provare a eseguire conteggi per un certo intervallo di tempo attivando solo lo scintillatore up (interruttore di sinistra) oppure quello down (interruttore di destra ) e confrontare i conteggi; - attivare il conteggio in coincidenza dei due scintillatori e discutere il valore ottenuto, elettronica controllo CCD selettore down selettore up conteggi elettronica controllo CCD scintillatore stop start reset elettronica controllo display - calcolare il numero N di particelle che hanno attraversato entrambi gli scintillatori in un secondo con relativa incertezza; - ripetere il conteggio registrando il numero N e la durata in secondi; - confrontare le due misure di coincidenze fra di loro e valutare se le differenze sono statisticamente significative. 1

15 2. Conteggio delle coincidenze in funzione dell angolo di orientazione Ripetere la misura delle 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. 3. Conteggio delle coincidenze a diverse profondità Misurare le coincidenze portando la cosmic box a diversi piani dell edificio, 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 dell edificio. 2

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20 I raggi cosmici in Italia Lo studio dei raggi cosmici è stato generoso con i fisici: attraverso di essi si sono osservate per la prima volta particelle previste dalle teorie ed oggetti inaspettati. Intanto la scoperta del muone è emblematiche in quanto la si può includere nel folto gruppo di scoperte avvenute per sbaglio! Dopo che Enrico Fermi aveva postulato l esistenza di una cosiddetta forza nucleare forte che doveva essere responsabile della stabilità dei nuclei e bilanciare la repulsione colombiana dei protoni, negli anni 1934/35 il teorico giapponese Ideki Yukawa formulò una teoria secondo la quale dovevano esistere particelle di massa intermedia tra quella del protone e quella dell elettrone che vengono scambiate tra i nucleoni: protoni e neutroni, scambiandosi questa particella battezzata mesone (dal greco mèsos, che sta in mezzo), possono restare avvinghiati in un nucleo. Un anno più tardi, Anderson - lo scopritore del positrone - pensò di aver identificato, proprio nei raggi cosmici, questa particella: le rivelazioni furono ripetute in differenti luoghi fornendo gli stessi risultati e la scoperta venne accreditata presso tutta la comunità scientifica. Dovranno passare una decina d anni perché, superata l immane tragedia della guerra, si potesse tornare su questi studi. Ed ecco che a Roma tre fisici italiani, Marcello Conversi, Ettore Pacini ed Oreste Piccioni, dimostrarono che le particelle di Anderson non potevano essere i mesoni previsti da Yukawa in quanto, pur avendo una massa intermedia (ca. 200 volte quella dell elettrone) vivono cento volte più a lungo ed interagiscono debolmente con i nucleoni. Dal momento che la particella di Yukawa era già stata indicata come mesone π quella di Anderson la si continuò a chiamare impropriamente mesone μ, termine soppiantato con il più corretto muone. Il mesone π rimarrà latitante ancora per poco. Lo cattureranno nel 1947 l inglese Cecil F. Powell, il nostro Giuseppe Occhialini ed il suo studente brasiliano C.M.C. Lattes, servendosi di una nuova sensibilissima emulsione fotografica, portate fino ai 2800 metri del Pic du Midi sui Pirenei francesi (molto bello il sito ufficiale dell osservatorio: Si accertò tra l altro che anche le masse delle due particelle sono alquanto diverse pur nello stesso ordine di grandezza: quella del pione è 273 volte quella dell elettrone, quella del muone solo 207. La scoperta condusse subito a due premi Nobel: Yukawa nel 1949 e Powell nel L Osservatorio astronomico e Meteorologico del Pic du Midi, ha avuto un epopea scientifica a dir poco eroica. I suoi dati e le sue immagini hanno consentito all uomo di raggiungere la Luna e di conoscere meglio il Sole. Eppure, una decina d anni fa la scure dell economia sembrò condannarlo alla chiusura e all oblio, dopo quasi un secolo di onorato servizio. Ma i tenaci francesi del Midi-Pirenées non l hanno permesso e più determinati che mai si sono stretti attorno al loro osservatorio, hanno trovato risorse e fomentato entusiasmi, hanno riportato a nuova vita l istituzione proiettandola nel mondo della cultura e del turismo internazionale. Proprio nel giugno 2000 una funivia nuova di zecca, costruita appositamente, porterà i turisti a godere di una visita di grande qualità. Già sull autostrada un area di sosta concepita come punto di informazione scientifica, propone un filmato 3D sull osservatorio e i suoi risultati, il suo ambiente, la sua storia, invogliando gli automobilisti ad una visita indimenticabile. Sarebbe così difficile ispirarsi a tanto, noi italiani, sempre così pronti all esterofilia, con le parole, di rado con i fatti? Se poi pensiamo che al Plateau la funivia c è già [da Nimbus.it]

21 La scoperta del muone si può inserire in quel lungo elenco di casi di quella che gli scienziati amano definire serendipità. Questo curioso termine indica la fortuna o meglio il dono di scoprire cose meravigliose mentre si sta cercando tutt altro; Fleming non cercava certo la penicillina ma l ha trovata. Altri biologi, tornando dalle vacanze, non si sarebbero accorti di quella muffa batterica Dunque la fortuna aiuta oltre che gli audaci (e i distratti ) anche i bravi ricercatori. Il termine Serendipity risale al 1754 ed al letterato inglese Horace Walpole, che lo derivò dall isola di Serendip, antico nome dello Sri Lanka (Ceylon). La scoperta (riconosciuta però solo a posteriori) del muone ha però un secondo triste aspetto in comune con altro famoso caso di serendipità: quello della scoperta delle Pulsar, avvenuta nel grazie alla laureanda Jocelyn Bell ; Jocelyn, oltre al merito della tenacia nel perseguire il suoi intuito scientifico, ebbe pure il suo bel daffare per vincere lo scetticismo del suo professore Tony Hewish, al quale venne poi assegnato il premio Nobel. Così al laureando brasiliano Lattes, che si sobbarcò l attento e paziente esame di centinaia di lastre fotografiche non venne attribuito l ambito riconoscimento (come pure al nostro Beppe Occhialini). Chissà se pensava proprio a Jocelyn Bell, il famoso fisico Isaac Rabi, Nobel per la scoperta delle proprietà magnetiche dei nuclei, quando scrisse queste parole incise sul bronzo di una targa all Istituto Rabi al centro studi di Erice: La Fisica ha bisogno di Nuove Idee. Ma è un compito molto difficile non significa solamente scrivere qualche riga in una pubblicazione. Se voi veramente volete avere la paternità di una nuova idea, dovete dedicare le vostre energie intellettuali a cercare di capire tutti i dettagli e a trovare qual è il modo migliore per sottoporre questa nuova idea alla prova sperimentale. Tutto ciò può richiedere anni di lavoro. Ma non dovete arrendervi. Se voi credete che la vostra idea sia buona, dovete lavorare intensamente e non avere mai paura di arrivare al punto in cui un nuovo venuto può, con minimo sforzo, trovare quel risultato che voi, per così tanti anni avete cercato di conseguire. Il nuovo venuto non potrà mai togliervi il privilegio di essere stato il primo ad aprire, con la vostra intelligenza, la vostra immaginazione, e il vostro assiduo lavoro, un nuovo campo di attività. Non abbiate timore ad incoraggiare gli altri a continuare il vostro sogno. Se si avvererà, la comunità scientifica non dimenticherà mai che voi siete stato il primo ad aprire questo campo. 2 Isidor I. Rabi - Erice, 1972 Bibliografia: R. Merton, Elinor Barber Viaggi e avventure della Serendipity Ed. Il Mulino, 470pp Richard Feynman (sì, proprio Lui ) Il piacere di scoprire Adelphi 284 pp. 1 Per chi desiderasse saperne di più sulla scoperta delle pulsar, scrivere al prof. Torchio: cotopaxi67@hotmail.com 2 Isidor Isaac Rabi ( ): Nobel per la fisica, fondatore della prestigiosa scuola di fisica della Columbia University (N.Y), fondatore del Comitato Scientifico della NATO; co-fondatore dell Ettore Majorana Foundation and Center for Scientific Culture (EMFCSC) nel 1962 al Cern, che riuscì negli anni ottanta a porre attorno ad uno stesso tavolo i cervelli delle due superpotenze (USA-URSS) impegnate nella corsa agli armamenti nucleari. I seminari sulle Guerre Nucleari hanno riscosso l attenzione dei leader policiti (Ronald Reagan Michail Gorbachev Deng Xiaoping) grazie al manifesto di Erice. per la fisica. Il premio avrebbe dovuto essere diviso con Jocelyn Citare e vedere articolo pacini e data I non riconosciuti : pulsar emulsioni - Rabi. E

22 Istruzioni aggiuntive sul funzionamento dei diversi moduli di elettronica NIM Modulo discriminatore Il discriminatore (v. pag. 2 delle dispense) è un dispositivo elettronico che serve a filtrare il segnale proveniente dall uscita del fotomoltiplicatore: è un segnale in tensione elettrica, molto breve, la cui ampiezza massima V è proporzionale IN 0 1 all energia depositata nello scintillatore (che è stata tradotta in tensione elettrica attraverso il fotomoltiplicatore e l elettronica collegata). Il discriminatore lascia 2 3 cioè passare solo i segnali più forti, quelli provocati dal grosso deposito di 4 5 energia luminosa al passaggio della particella ionizzante, e blocca i segnali deboli 6 7 dovuti al rumore di fondo, cioè alle piccole fluttuazioni di energia luminosa nello scintillatore oppure di corrente di elettroni nel fotomoltiplicatore o nel circuito di amplificazione. Per filtrare il segnale, lo confronta con un livello minimo V s di tensione, detta tensione di soglia (v. pag. 4 delle dispense) che può variare fra 0 e -255 mv (tutta l elettronica dei segnali lavora con tensioni negative): se V > V s viene generato in uscita un segnale V out che ha un ampiezza e una durata standard, indipendente dall ampiezza del segnale originale V, nel caso opposto V out è nullo. È chiaro che in questo modo si perde l informazione sull ampiezza del segnale e quindi sull energia depositata nello scintillatore dalla particella (si sa solo che è al di sopra della soglia scelta), però si ha un segnale standard digitale, nel senso che può valere solo 1 o 0 (il segnale c è o non c è ), che semplifica molto le operazioni successive che consistono in conteggi e coincidenze. Il modulo di discriminazione può trattare contemporaneamente fino a 8 segnali (detti canali ). Il cavo che porta il segnale dal fotomoltiplicatore va inserito nel connettore di ingresso di un certo canale. Tramite l interruttore posto in basso e messo nella posizione sel si seleziona il canale corrispondente: a ogni click del selettore la selezione avanza di un canale e, corrispondentemente, si accende il LED rosso del canale. A questo punto si regola la soglia tramite la rotellina set portandola al valore desiderato, che si legge sul display; ottenuto il valore desiderato, lo si blocca portando l interruttore di selezione in posizione lock. Nel corrispondente canale OUT si ha il segnale in uscita: vengono forniti due segnali OUT e un OUT negato 1. È possibile selezionare contemporaneamente tutti e 8 i canali: in questo caso la stessa soglia viene imposta su tutti. Modulo di coincidenza ( mixer ) Il modulo di coincidenza serve a selezionare segnali che sono in coincidenza temporale, come avviene ad esempio (vedi pag.5 delle dispense) per i segnali prodotti da una particella che attraversa entrambi gli scintillatori. In realtà funziona da semplice sommatore (mixer), esegue cioè la somma di tutti i segnali inviati in ingresso (IN). Volendo controllare se due segnali provenienti dai due scintillatori sono in coincidenza occorre inviare i due segnali OUT prelevati alle uscite corrispondenti del discriminatore a due ingressi del mixer. In uscita il mixer fornisce vari segnali OUT. Quello che serve a noi è l ultimo segnale in basso a destra, sotto cui è indicato 1/10 : questo significa che l ampiezza del segnale è diviso per Il segnale negato, che non useremo, ha lo zero logico a -800 mv e l uno logico a 0V set OUT sel lock IN OUT 1/10 1

23 Se pertanto si verificano due segnali in coincidenza, ciascuno dei quali di -800 mv, su questa uscita si avrà un segnale di -160 mv (cioè -1600/10); con un solo segnale, in uscita si hanno -80 mv. Basterà pertanto inviare questo segnale a uno degli ingressi del discriminatore chiedendo una soglia fra -80 mv e -160 mv (ad esempio -120 mv) per avere un segnale nella corrispondente uscita solo se si è verificata la coincidenza. Modulo per i conteggi ( scaler ) Lo scaler serve a contare i segnali che arrivano in un certo intervallo di tempo. I segnali da contare vanno inviati a uno degli 8 ingressi che si trovano in basso e il risultato del conteggio viene visualizzato nella riga corrispondente del display numerico che si trova nella parte alta: converrà collegare, ad esempio, la seconda uscita OUT del discriminatore del segnale del primo scintillatore al primo ingresso dello scaler, quella del secondo scintillatore al secondo ingresso e quella delle coincidenze al quarto ingresso. Il modulo fornisce anche, ogni millisecondo, un segnale di clock all uscita indicata appunto come clock : abitualmente la si collega all ingresso 8, in modo da avere il tempo in ms sul canale più basso del display. Sono infine presenti dei pulsanti di start, stop e reset che servono per far partire, fermare o azzerare tutti i segnali allo stesso istante. canale 1... canale 2... canale 3... canale 4... canale 5... canale 6... canale 7... canale 8... start stop reset clock