Raggi cosmici. Introduzione

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Raggi cosmici. Introduzione"

Gabriela Parente
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Raggi cosmici Introduzione

Cenni storici Agli inizi del 1900 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

Hess portando in quota un elettroscopio a foglie dimostra che la ionizzazione aumenta con l'altezza dal suolo, e pertanto e' originata da radiazione di natura cosmica.

2 Cenni storici Agli inizi del 1900 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. La dimostrazione dell'esistenza della radiazione cosmica avvenne nel V. Hess portando in quota un elettroscopio a foglie dimostra che la ionizzazione aumenta con l'altezza dal suolo, e pertanto e' originata da radiazione di natura cosmica. Qualche anno prima, studi analoghi erano stati condotti dal geofisico italiano D. Pacini misurando la ionizzazione sulla superficie del mare ed in profondità dove l intensità diminuisce. I raggi cosmici di alta energia interagendo con l'atmosfera producono uno sciame di particelle su una vasta superficie. 2

3 Nel 1933 il fisico italiano B. Rossi osserva i primi sciami cosmici in Eritrea. Nel 1938, usando diversi rivelatori distribuiti a grandi distanze sulle Alpi, P. Auger ripete l'osservazione. La componente principale dei raggi cosmici a livello del mare e' composta da muoni e neutrini. Il flusso dei muoni a livello del mare e' circa di 1 particella per cm quadrato per min. Proprio per schermarsi dai raggi cosmici, gli esperimenti sui processi rari si effettuano in laboratori sotterranei come quello del Gran Sasso. Laboratori sotterranei del Gran Sasso: Altezza = 900 m sul livello del mare m di roccia come schermo. Flusso raggi cosmici: 1 muone per m quadrato per h Bassa radioattività ambientale. 3

4 4

5 CARATTERISTICHE GENERALI In media una particella incide su ogni centimetro quadrato di superficie sulla Terra ogni secondo. La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra sono prodotti secondari di sciami formati nell'atmosfera dai raggi cosmici primari, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica. Tali particelle possono essere osservate con speciali apparecchiature. È per evitare queste interferenze che molti laboratori di fisica si trovano nel sottosuolo, come il laboratorio del Gran Sasso. 5

6 I raggi cosmici hanno aiutato lo sviluppo della fisica delle particelle: dallo studio di tale radiazione spaziale sono state scoperte particelle come il positrone (la prima particella di antimateria mai scoperta), il muone e le particelle strane, in un'epoca nella quale la tecnologia degli acceleratori non era sviluppata. Ancora oggi, tuttavia, l'energia dei raggi cosmici è milioni di volte superiore rispetto a quella che si può ottenere dagli acceleratori terrestri (in LHC a Ginevra due fasci di protoni raggiungono 7 Tev ( ev) ciascuno prima di scontrarsi). Nei casi in cui manchi lo schermo dell'atmosfera, come nei satelliti artificiali, i raggi cosmici pongono un problema notevole: l'elettronica di bordo deve essere irrobustita e schermata pena malfunzionamenti, e nel caso di missioni con equipaggio umano gli astronauti stessi sono sottoposti al bombardamento di raggi cosmici che possono avere effetti ionizzanti sui tessuti biologici 6

7 Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti da protoni (per circa il 90%), da nuclei di elio (quasi il 10%); tuttavia anche elettroni, altri nuclei (anche pesanti come ferro ed addirittura uranio), fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria (positroni ed antiprotoni) fanno parte dei raggi cosmici primari. Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così, in un processo a cascata (vedi figura), nuove particelle proiettate in avanti, che prendono il nome di raggi cosmici secondari. 7

8 Simulazione degli sciami generati nell'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre 8

9 9

10 La radiazione secondaria al livello del mare è costituita da due componenti (molle e dura) che hanno diverso comportamento nell'attraversamento di mezzi molto densi (ferro, piombo, ). La componente molle (circa il 30% della radiazione secondaria), composta da elettroni e fotoni ed in minima parte da protoni, kaoni e nuclei, è capace di attraversare solo pochi centimetri di assorbitore. La componente dura (circa il 70%), composta da muoni, riesce a penetrare spessori di materiali assorbenti di oltre un metro. 10

11 Si stima che il flusso medio a livello del mare abbia un'energia media di 3 GeV. Il leptone μ (muone) è una particella elementare a spin 1/2, massa circa duecento volte la massa dell'elettrone che è 0, eve vita media s. Esiste in due stati di carica (positiva e negativa) e sperimenta due tipi di interazione, oltre quella gravitazionale: l'interazione elettromagnetica e debole Come detto in premessa, i μ sono prodotti nell'alta atmosfera principalmente dal decadimento di π carichi: Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno nella dilatazione temporale riescono a giungere al livello del mare, dove si osserva che i μ + sono circa il 20% in più dei μ -. 11

12 Energie dei raggi cosmici La distribuzione in energia dei raggi cosmici si estende da energie inferiori a 10 9 ev a energie superiori a ev; Possiamo classificare i raggi cosmici in base alla loro energia: High Energy Cosmic Rays (HECR): E ~ 10 9 ev (GeV); Very High Energy Cosmic Rays (VHECR): E ~ ev (TeV); Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR): E ~ ev (PeV); Extreme High Energy Cosmic Rays (EHECR): E > ev (>EeV); Per E < ev il flusso di raggi cosmici primari e sufficientemente grande da poter venire misurato direttamente con palloni o satelliti al di fuori (o quasi) dell atmosfera; Per E > ev il flusso si riduce così tanto da rendere impossibile la misura diretta in quanto i rivelatori che si possono montare sui satelliti sono troppo piccoli per raccogliere una statistica adeguata; E necessaria la misura indiretta, cioè dei prodotti secondari dell interazione dei raggi cosmici con l atmosfera; queste misure vengono effettuate a terra con rivelatori di grandi dimensioni 12

solare, la parte su sfondo azzurro di origine galattica,

13 Flusso dei raggi cosmici in funzione della loro energia. La parte su sfondo giallo è ritenuta essere di origine solare, la parte su sfondo azzurro di origine galattica, la parte di più alta energia di origine extragalattica 13

14 Uno dei misteri più oscuri della cosmologia moderna sono i raggi cosmici con energie dell'ordine di ev ossia la quantità di energia di una palla da tennis colpita da un professionista (oltre 100 km/h) concentrata in una sola particella, solitamente un protone. Per contro, la massa a riposo del protone è circa 9 10 ev Queste particelle hanno una velocità meno di una parte su 10 5 inferiore alla velocità della luce, e a causa dello scattering nel fondo di microonde, dovrebbero avere un'origine entro 200 milioni di anni luce da noi (altrimenti verrebbero assorbite dall'interazione con la radiazione cosmica di fondo). Tuttavia, non si conosce alcun oggetto in grado di generare queste particelle con una tale energia all'interno di questo limite. 14

15 15

16 16

17 Elementi di teoria di relatività ristretta Dilatazione dei tempi Un muove viene creato a quote L comprese tra 15 e 20 Km dalla superficie terrestre, viaggia a v = 0.998c ed ha una vita media di t = 2.2 µs. Come può un muone raggiungere la superficie terrestre? L v t 659 m 0 8 m ( c 3 10 s ) Teniamo ora conto della dilatazione dei tempi. Nel sistema di riferimento del muone nascita e morte del muone avvengono nello stesso punto dello spazio (intervallo di tempo proprio t e ϒ fattore di Lorentz) per cui: t t 0 0 dove 1 1 v 2 c 2 (nel nostro caso 15.8) Ad un intervallo di tempo t misurato con l orologio del muone corrisponde un 0 intervallo di tempo t sull orologio terrestre per cui: L v t Km Essendosi parlato di vita media, alcuni muoni possono raggiungere così la superficie terrestre; il ragionamento fatto vale per un osservatore terrestre. 0 t s 17

18 Elementi di teoria di relatività ristretta Contrazione delle lunghezze Un muove viene creato a quote comprese tra 15 e 20 Km dalla superficie terrestre, viaggia a v = 0.998c ed ha una vita media di = 2.2 µs. Come vedrebbe un osservatore a cavallo dei muone la situazione precedente? L v t 659 m 0 8 m ( c 3 10 s ) Teniamo ora conto della contrazione delle lunghezze. Nel sistema di riferimento del muone lo spazio percorso L è minore dello spazio misurato nel sistema terrestre (intervallo di spazio proprio e ϒ fattore di Lorentz) per cui: L L0 dove L 0 1 t 0 nel nostro caso v ed L 633 m 1 2 c Ad una lunghezza L misurata nel sistema di riferimento terrestre corrisponde una 0 lunghezza L per l osservatore sul muone per cui: Essendosi parlato di vita media, alcuni muoni possono raggiungere così la superficie terrestre. Il ragionamento fatto vale per un osservatore solidale con il muone. t L v s 18

Documenti analoghi

La radioattività può avere un origine sia artificiale che naturale.

http://www.isprambiente.gov.it/it/temi/radioattivita-e-radiazioni/ radioattivita/radioattivita-naturale-e-artificiale La radioattività può avere un origine sia artificiale che naturale. La radioattività