I raggi cosmici e il progetto EEE

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1 I raggi cosmici e il progetto EEE Eugenio Senes 5 A A.S

2 Progetto EEE Studiato dal Afflusso di raggi cosmici Rilevati attraverso Che al suolo sono decaduti in Rilevatore MRPC Che rileva l impatto dei Muoni

3 INDICE 1. Il progetto EEE obiettivi esigenze 2. Il rilevatore MRPC principio di funzionamento caratteristiche e struttura il sistema GPS 3. I raggi cosmici origine caratteristiche motivazioni del loro studio 4. I muoni Sitografia, bibliografia e ringraziamenti

4 1. IL PROGETTO EEE Obiettivi: Il progetto EEE (Extreme Energy Events) si propone di studiare il flusso dei raggi cosmici sulla superficie della Terra, che alle nostre altitudini si compone in larga parte di muoni cosmici. Ideato dal professor A. Zichichi, il progetto si propone di far fronte al calo delle iscrizioni alle facoltà scientifiche cercando di appassionare i giovani alla scienza già dalla scuola secondaria e utilizzarli in prima persona come giovani scienziati affidandogli il compito della manutenzione e dell interpretazione dei dati forniti dai rivelatori. Esigenze: Per rilevare il flusso, la direzione, il tempo di volo e cercare di scoprire l origine dei raggi cosmici che giungono sulla terra era necessario scegliere un rivelatore con queste caratteristiche: Basso costo (l area da coprire coi rivelatori deve essere la più ampia possibile) Lunga vita operativa Capacità di ricostruire le traiettorie di incidenza delle particelle (necessita quindi di almeno tre piani di rivelazione) Risoluzione spaziale di qualche centimetro per camera (per poter ricostruire insieme ai dati forniti da altri rivelatori i punti di origine delle shower ) Risoluzione temporale adeguata per poter correlare gli eventi rilevati con quelli di altri rilevatori. Poiché è quello che si attiene maggiormente a queste caratteristiche la scelta è ricaduta sul rilevatore MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber)

5 IL RILEVATORE MRPC Principio di funzionamento Una camera MRPC è un grosso condensatore piano contenente gas tra le armature. Quando una particella elettricamente carica, nel nostro caso un muone cosmico, attraversa il gas lascia dietro di sé una scia di particelle ionizzate, ovvero di molecole del gas contro cui ha urtato passando che acquistano una polarità. Queste cariche ionizzate tendono quindi a dirigersi verso l armatura con la carica opposta. Utilizzando una camera per il gas di esiguo spessore (350 μm) e una tensione molto elevata (circa 10 kv), gli elettroni provenienti dalle particelle ora ionizzate vengono accelerati fortemente e ionizzano a loro volta altre molecole di gas, determinando una specie di valanga di ioni (il fenomeno è proprio noto come effetto valanga) che garantisce che il segnale sia sufficientemente forte per essere rilevato. Per garantire una perfetta risoluzione spaziale e temporale: le parti delle armature interne a contatto col gas sono rivestite di materiale resistivo in modo da focalizzare il punto di contatto tra la piastra e la valanga di ioni menzionata sopra, impedendo che quest ultima compaia in maniera anomala nelle aree circostanti le armature metalliche sono divise in striscioline strips per consentire la corretta individuazione del punto di impatto del muone sulla camera (nel senso della larghezza, mentre in quello della lunghezza viene dedotto dal Δt degli impulsi elettrici ai capi della strip) l intercapedine contenente il gas è suddivisa in sei sottointercapedini di 35µm tramite piani di materiale resistivo (vetro) per ottenere la massima risoluzione temporale, infatti questa aumenta con la diminuzione dello spessore di gas da attraversare.

6 Struttura: IL rilevatore è formato da tre camere di alluminio 2 x 1 m sovrapposte a 50 cm di distanza l una dall altra. All interno della carcassa di alluminio troviamo la vera e propria camera composta da una base di legno compensato, su cui vengono fissate le armature composte da striscioline adesive di rame su un pannello di vetronite. Sopra l armatura vengono poste le sottili lastre di vetro (2 mm) separate da una intercapedine di 35µm realizzata con del filo da pesca. La custodia viene poi chiusa e vengono installati l elettronica di rivelazione, i trasformatori per l alta tensione e i dispositivi per il flussaggio del gas.

7 Il sistema GPS: Per garantire la confrontabilità dei dati ottenuti da più rivelatori, e quindi poter risalire all evento di estrema energia che ha dato origine allo shower di particelle, è necessaria una perfetta sincronia temporale tra le stazioni: questa è garantita dall utilizzo dei segnali GPS che forniscono alle stazioni il tempo esatto senza bisogno di installare un orologio atomico in ognuna di queste. Questo è possibile attraverso a un particolare segnale che viene inviato ogni secondo e che permette di sincronizzare i computer con una precisione inferiore ai 100 ns. In sostanza l utilizzo di un sistema GPS garantisce: corretta sincronizzazione temporale corretto posizionamento spaziale

8 I RAGGI COSMICI Origine: I raggi cosmici sono particelle cariche che viaggiano nello spazio in tutte le direzioni. La loro probabile origine risale al Big Bang, oggi si crede che questi siano la cenere del Big Bang (Prof. A. Zichichi), cioè particelle proiettate a velocità simili a quella della luce per effetto dell espansione della metrica successiva alla nascita dell universo. Un altra possibile fonte dei raggi cosmici si crede possa essere l esplosione di una supernova, che oltre a creare una stella di neutrini, emette nello spazio interstellare quasi tutti gli elementi di cui era composta. Caratteristiche e impatto con l atmosfera La radiazione cosmica è formata in larga parte da protoni (85 %), da particelle α (13 %), da elettroni (2%) o da nuclei pesanti (1%). Incontrando l atmosfera, o un qualunque oggetto dotato di massa, la particella carica (con energie comprese tra 100 MeV e 10 TeV) che costituisce il raggio si scinde e inonda la terra sottostante (fenomeno detto shower ) di altre particelle A contatto con l atmosfera si generano: Protoni e neutroni Antiprotoni e antineutroni Mesoni (in larghissima parte pioni) A loro volta le antiparticelle annichilano con le rispettive particelle di materia, protoni e neutroni (se provvisti di sufficiente energia) urtano a loro volta con altre particelle atmosferiche generando sciami secondari e i pioni decadono in maniera diversa a seconda della carica. Pioni neutri decadono velocemente in 2 raggi γ (che a loro volta decadranno ancora), mentre i pioni carchi decadono in muoni (positivi e negativi), elettroni e neutrini.

9 Questi processi di decadimento avvengono in particolare tra i 35 e i 20 km di quota, mentre tra i 20 e i 5 km avvengono le interazioni tra elettroni e raggi γ e al di sotto dei 5 km di quota sopravvivono praticamente solo più muoni e neutrini. Motivazioni dello studio dei raggi cosmici Attualmente si crede che l afflusso dei raggi cosmici influenzi alcuni aspetti del nostro pianeta: l evoluzione del clima (a livello ultramillenario, e in particolare le interazioni con le glaciazioni) il rapporto tra muoni rilevati a terra e tempo atmosferico (infatti un maggiore afflusso di radiazione cosmica determina una maggiore densità di nubi in una determinata area) la produzione di particolari isotopi (accumulatisi, per esempio, nelle calotte polari) il rapporto tra raggi cosmici e mutazioni genetiche flusso dei corpi celesti e grandi estinzioni sulla terra (sembra che non ci sia alcun collegamento ma il problema dei flussi è di grande attualità) il rapporto tra macchie solari e incidenza dei raggi cosmici

10 I MUONI I muoni sono particelle cariche che hanno massa pari a circa 207 volte quella dell elettrone: per questo motivo μ- (cioè di carica negativa) può essere pensato come un elettrone molto pesante. Come abbiamo visto i muoni sulla terra sono in maggioranza generati dal decadimento dei pioni carichi (infatti nel 99,987 % dei casi π± decade in μ± e νμ±). La vita del muone è breve (mediamente 2,2 μs), tuttavia grazie alla loro altissima velocità, nell ordine di 0,98 c, obbediscono alla relatività speciale, di cui sono una importante verifica sperimentale. Secondo le equazioni della relatività speciale infatti: Il rapporto delle velocità è: β=v/c nel nostro caso β = 0,98 c / c Il fattore di Lorentz è: γ = 1 / (1 β2) nel nostro caso γ = 1 / (1 0,982) = 5,02 Di conseguenza i tempi di vita e le distanze verranno modificati: Tμ = T fermo.γ Tμ = 2,2 x ,02 = 1,1 x 10-5 s = 11, 04 μs L μ= L fermo /γ L μ = 10 km / 5 = 2 km (per un ideale muone formatosi a 10 km di quota)

11 Grazie all utilizzo del sistema relativistico si è potuto calcolare il rapporto di sopravvivenza: N / No = 0,49 Determinato sperimentalmente e incomprensibile in un sistema considerato con la meccanica classica poiché troppo elevato rispetto alla vita media del muone. Trascorso il tempo di vita il numero di muoni si dimezza. Metà delle particelle si scinde in : I muoni negativi decadono in: un elettrone un antineutrino elettronico un neutrino muonico I muoni positivi decadono in: un positrone un neutrino elettronico un antineutrino muonico

12 Bibliografia e sitografia: Progetto la scienza nelle scuole EEE Prof. Antonino Zichichi La fisica di Amaldi vol.3 Ugo Amaldi Fisica vol.2 Wilson - Buffa Centrofermi.it/EEE Cern.ch Materiali multimediali da conferenze del gruppo dell INFN di Torino Conferenze del prof. Ivan Gnesi (Centro Fermi di Torino) Incontri con il prof. Vladimir Frolov (CERN di Ginevra) Materiali ricevuti al Simposio nazionale sul progetto EEE (Roma, palazzo del Viminale, 11/12/2009) Vorrei in particolare ringraziare per l inestimabile aiuto e la passione dimostrata in questi anni la prof.ssa M. Burato che ha anche collaborato alla stesura di questa tesina. Inoltre per l appoggio e i consigli si ringrazia la dott.ssa Valeria Monti (Università di Torino, facoltà di fisica) e la prof.ssa Antonietta Greco.