LA CASCATA
ELETTROMAGNETICA
Luisa Bonolis
Scuola di Storia della fisica
A.I.F. - 2005
[email protected]
BIBLIOGRAFIA
• B. Rossi - Raggi Cosmici
• L. Janossy - Raggi Cosmici
• L. Leprince-Ringuet - I raggi cosmici
(Prefazione E. Amaldi, traduzione M. Cini)
Capitolo finale:
–
–
–
–
–
Lo spirito collettivo di gruppo nella ricerca scientifica
Vocazione scientifica
Il maestro
I ricercatori
Assistenti tecnici
Una radiazione dallo spazio
“I risultati delle mie osservazioni sono
spiegabili nel modo migliore assumendo
che una radiazione di grande potere
penetrante entri nella nostra atmosfera
provenendo dall’alto”.
(Victor F. Hess, Physikalische Zeitschrift,
novembre 1912)
• Era l’inizio della fisica delle alte energie, che avrebbe rivelato
l’esistenza di particelle di dimensioni subatomiche dotate di energie
migliaia, milioni, miliardi, miliardi di miliardi di volte maggiori
rispetto all’energia delle particelle emesse dalle sostanze radioattive
reperibili sulla Terra. Per la prima volta i fisici avrebbero assistito
alla creazione e distruzione di nuove particelle e nuove straordinarie
prospettive si sarebbero aperte a livello microscopico, astrofisico e
cosmologico.
“Raggi cosmici”
• Tra il 1923 e il 1926 lo scettico Millikan
ripete gli esperimenti sia sott’acqua che in
alta atmosfera, con tecniche sofisticate
(palloni senza equipaggio, ottimi
elettroscopi, registrazioni su pellicola).
• Tra la fine degli anni ‘20 e i primi anni ‘30
il fisico tedesco Erich Regener effettua
misure con un grado di precisione senza
precedenti, sia in acqua che negli strati più
alti dell’atmosfera.
• Cadono anche gli ultimi dubbi di Millikan:
effettivamente la radiazione scoperta da
Hess sembra provenire dallo spazio esterno
all’atmosfera terrestre.
Per circa 16
anni dopo la
scoperta di
Hess, nessun
tentativo serio
fu fatto per
comprendere
la natura della
radiazione da
lui scoperta.
La situazione alla fine degli anni ‘20
• Si ritiene che i mattoni costitutivi dei nuclei siano protoni ed
elettroni
• Anche se la fondamentale distinzione tra particelle e onde è
ormai rimessa completamente in discussione nell’ambito
della meccanica quantistica, per comodità i fisici continuano
a distinguere le “radiazioni” in due grandi gruppi:
– Corpuscolare: “raggi” beta, “raggi” alfa, “raggi” catodici (tutti
dotati di una massa ben definita).
– Elettromagnetica: luce visibile, raggi infrarossi e ultravioletti, raggi
X, raggi gamma emessi nei processi radioattivi.
• I fotoni della radiazione elettromagnetica non possiedono
una massa finita e hanno origine sempre dal moto di cariche
accelerate. Inoltre si distinguono l’uno dall’altro per la loro
differenza in energia (dall’infrarosso ai gamma): i fotoni
della luce visibile hanno energie dell’ordine di 10 eV,
mentre le energie dei fotoni gamma sono dell’ordine dei
MeV, come lo sono le energie delle particelle alfa e beta.
Ionizzazione da particelle
• A partire dalla fine del
XIX secolo era pratica
corrente quella di
individuare le radiazioni
attraverso la loro
proprietà di ionizzare i
gas. Alla fine dei tardi
anni ‘20 le modalità del
processo erano ben
comprese. Un fatto
rilevante, se si pensa che
per molto tempo questo
fu l’unico sistema per lo
studio della radiazione
cosmica.
Camera a
nebbia di
C.T.R.Wilson
(1911)
Quando il pistone viene tirato
rapidamente, la mistura di vapore
d’alcool e di gas contenuti nella
camera si espande.
La risultante diminuzione di
temperatura è sufficiente a far
condensare il vapore intorno a
eventuali cariche presenti nel gas.
Tracce
• Per individuare le particelle queste devono
attraversare la camera durante la fase di espansione.
Se entrano troppo presto o troppo tardi rispetto
all’espansione (tempi superiori a pochi millisecondi)
tutto si vanifica. La camera resta sensibile per circa
un centesimo di secondo.
• Particelle veloci con carica differente e differenti
velocità producono tracce di densità diversa.
• A parità di velocità aumenta con la carica, a parità
di carica diminuisce all’aumentare della velocità.
Verso la fine degli anni ‘20 si riteneva in generale che tutte le
particelle cariche perdessero la loro energia principalmente per
ionizzazione nell’attraversare la materia.
Ionizzazione da fotoni
• Anche i fotoni sono in grado di ionizzare i gas, un fenomeno
che accade molto più di rado: mentre un elettrone da 2 MeV
ionizza circa 50 molecole per ogni centimetro percorso in
aria a una certa temperatura e pressione, un fotone della
stessa energia deve viaggiare per una distanza media di 170
metri prima di riuscire a far saltare via un elettrone da una
molecola per effetto Compton.
• I fotoni dei raggi cosmici sono dotati generalmente di
energie molto superiori a quelle minime necessarie a
produrre un evento del genere: vedono gli elettroni
sostanzialmente come “elettroni liberi”, anche se questi
ultimi fanno parte di un sistema atomico o molecolare.
Effetto Compton
Quando un fascio di fotoni di alta energia attraversa un gas, il
numero di molecole ionizzate come risultato delle collisioni
Compton (A. H. Compton, 1923) è molto piccolo. Tuttavia,
gli elettroni di rinculo prodotti trasportano con sé una
considerevole frazione dell’energia del fotone incidente, sono
quindi in grado di produrre un gran numero di ioni prima di
“fermarsi”. In questo modo i fotoni ionizzano i gas
indirettamente, attraverso i pochi elettroni secondari di alta
velocità che riescono ad espellere dalle molecole del gas.
Il vettore somma degli impulsi del fotone diffuso e dell’elettrone di rinculo
è uguale all’impulso del fotone incidente.
Assorbimento e perdita di energia
“Raggi” corpuscolari e fotoni si comportano molto
diversamente nel corso dei processi di assorbimento da parte
della materia. Particelle di particelle di uguale massa, carica e
energia cinetica iniziale saranno dotate di un range analogo
(che dipende dalla natura e dall’energia iniziale e
dall’assorbitore). Ciò che accade ai fotoni è invece largamente
dominato dal caso. Dopo aver viaggiato per una certa distanza
i fotoni del fascio incidente possono essere dotati di energie
molto diverse. E’ possibile prevedere quindi soltanto un
comportamento medio: possiamo dire che una certa frazione
dei fotoni iniziali sarà scomparsa dopo aver attraversato una
data massa di materia. Tale frazione dipende dallo spessore
dell’assorbitore, dal materiale e dal valore dell’energia dei
fotoni del fascio. Se si trova che a parità di spessore la frazione
assorbita è il 10%, la curva di assorbimento, ottenuta
riportando il numero dei fotoni sopravvissuti in funzione dello
spessore dell’assorbitore, ha un andamento esponenziale.
Stato dell’arte nel 1929
• Si riteneva che il processo di ionizzazione
(diretta o indiretta - via effetto Compton) I (x) = I e-mx
0
fosse il meccanismo all’origine
dell’assorbimento.
• Questa visione si basava su
due importanti assunzioni:
– Le particelle cariche perdono energia
soltanto per ionizzazione
– I fotoni perdono energia soltanto
attraverso collisioni Compton
La natura dei raggi cosmici
• Alla fine degli anni ‘20 la letteratura tedesca si riferiva ai raggi cosmici
con il termine Ultragammastrahlung (radiazione ultra-gamma). Il motivo
è facilmente comprensibile. A parte i raggi cosmici, la più penetrante
radiazione conosciuta all’epoca erano i raggi gamma da sostanze
radioattive. Il cammino libero medio dei fotoni gamma in aria risultava di
centinaia di metri, mentre i raggi beta di energie confrontabili
mostravano cammini di appena qualche metro e quelli delle particelle
alfa erano addirittura inferiori.
• La teoria dell’effetto Compton era stata pubblicata nel 1929 da O. Klein
e Y. Nishina. Calcoli teorici basati sull’assunzione che fotoni di alta
energia fossero assorbiti prevalentemente attraverso collisioni Compton,
prevedevano un aumento del cammino libero medio per energie
crescenti. A conferma di tale previsione si era trovato sperimentalmente
che i raggi gamma più energetici risultavano anche i più penetranti.
• Misure di assorbimento nell’atmosfera e in acqua avevano mostrato che
la radiazione cosmica era più penetrante di qualsiasi altra. Sembrava così
naturale pensare che i raggi cosmici dovessero possedere energie
maggiori dei gamma più energetici.
Bothe e Kohlhörster:
“La natura della
radiazione dall’alto”
•Uno strumento per contare i raggi cosmici: il contatore GM (1929)
•Due contatori GM collocati uno sopra l’altro e connessi a due
elettroscopi. La simultanea deflessione delle foglie degli elettroscopi
indica la scarica simultanea dei due contatori: coincidenze.
Elettroscopi
La probabilità che fosse una
doppia collisione Compton era
trascurabile. Le coincidenze
osservate dovevano essere
dovute al passaggio di particelle
cariche individuali attraverso
entrambi i contatori. Non
potevano essere alfa o beta,
perché le pareti di zinco (1mm)
le avrebbero fermate.
L’ipotesi corpuscolare
•Il risultato in se stesso non contraddiceva l’ipotesi che la radiazione
primaria proveniente dallo spazio potesse consistere di fotoni di alta
energia. Poiché questi fotoni nell’atmosfera interagiscono per effetto
Compton, le particelle osservate avrebbero potuto essere elettroni di
rinculo. In base a quelle che si ritenevano essere le energie degli ipotetici
fotoni primari, gli elettroni di rinculo avrebbero potuto avere energia più
che sufficiente ad attraversare le pareti dei contatori.
•Per controllare questa possibilità Bothe e Kohlhörster collocarono un
blocco d’oro di 4.1 cm tra i contatori. Il 76% di particelle presenti nella
radiazione cosmica erano in grado di attraversare il blocco! Un risultato
sorprendente: secondo le stime più generose, solo una piccola frazione
degli elettroni di rinculo provenienti da qualsiasi punto dell’atmosfera
avrebbe potuto avere un range maggiore. La conclusione era che le idee
correnti sulla natura della radiazione erano probabilmente errate e che la
stessa radiazione cosmica primaria consisteva di particelle cariche,
piuttosto che di fotoni.
Fotoni versus particelle cariche
• Esisteva una seria obiezione alle conclusioni raggiunte da
Bothe e Kohlhörster. L’interpretazione dei loro esperimenti
era basata su un’arbitraria estrapolazione delle proprietà note
dei fotoni e degli elettroni a bassa energia. Era possibile, per
esempio, che le energie dei fotoni dei raggi cosmici fossero
molto più grandi di quelle calcolate in base al loro libero
cammino medio con l’equazione di Klein e Nishina, che era
valida per energie dell’ordine di 1 MeV, laddove le
valutazioni in base alle curve di assorbimento davano fotoni
con energie superiori ai 60 MeV, con possibilità di creare
elettroni Compton capaci di attraversare 4.1 cm di oro.
• La natura corpuscolare dei raggi cosmici non era quindi
affatto provata.
Entra in scena Bruno Rossi
“Ero convinto che i raggi cosmici si sarebbero
rivelati qualcosa di fondamentalmente diverso dalle
altre radiazioni note, a meno che le proprietà dei
fotoni e delle particelle cariche non cambiavano
drasticamente all’aumentare della loro energia…”.
“Impilando mattoni di piombo riuscii a
raggiungere lo spessore di un metro e trovai
che il 60% delle particelle dei raggi cosmici
capaci di attraversare 25 cm di piombo erano
anche in grado di attraversare un metro dello
stesso materiale…dovevano possedere
energie dell’ordine dei miliardi di
elettronvolt. Energie molto più grandi di
quelle che potevano essere rilasciate nella
sintesi degli elementi…”.
Effetti secondari dei raggi cosmici
Nel 1929 il fisico russo Dmitry Skobeltzyn aveva fotografato in camera
a nebbia le tracce di particelle negative insolitamente energetiche la cui
curvatura indicava energie molto superiori a quelle dei raggi beta.
Occasionalmente apparivano due o tre tracce contemporaneamente.
Questa produzione multipla si poteva spiegare assumendo che un
elettrone Compton avesse subito una o più collisioni vicino la camera
con successiva emissione di particelle secondarie di energia sufficiente
a penetrare le pareti della camera.
Rossi: indagini sulla sospetta
produzione di particelle secondarie
Sono necessarie almeno due particelle cariche che emergono
simultaneamente dal piombo per produrre una coincidenza. Una di
esse può essere una particella primaria, ma l’altra deve essere stata
prodotta nel piombo: se lo schermo superiore viene rimosso, il tasso
di coincidenze tende a zero.
Variazione della frequenza delle coincidenza triple fra i tre contatori
a triangolo con assorbitore di piombo o di ferro sopra i contatori
stessi. Le misure in cm si riferiscono alla distanza dell'assorbitore
dai contatori.
Una scoperta
inaspettata
• L’effetto Compton, l’unica interazione nota per
fotoni ad alta energia, non poteva rendere conto della
presenza di gruppi di particelle che venivano fuori
dall’assorbitore di piombo. Così che nulla di ciò che
era noto all’epoca poteva spiegare l’abbondante
produzione di particelle secondarie rivelata
dall’esperimento. In effetti tutto ciò appariva così
incredibile che il lavoro fu rifiutato da una prima
rivista e comparve poi su Zeitschrift für Physik.
Camera a nebbia controllata da contatori
Diventava chiaro che la radiazione locale conteva due distinti gruppi di
particelle: una componente “molle” e una componente “dura”, più
penetrante. Inoltre, alcune particelle producevano processi secondari
complessi, gli sciami, la cui natura non era compresa, si pensava
addirittura che fossero il risultato della disintegrazione di nuclei.
Patrick Blackett e
Giuseppe Occhialini
•Sedici tracce diverse di particelle secondarie
entrano nella camera, prodotte, apparentemente,
negli avvolgimenti di rame del magnete soprastante.
•Questi gruppi di particelle erano senza dubbio la
causa delle coincidenze osservate da Rossi.
Novità
• 1932 - Carl Anderson osserva la traccia
di una particella positiva di massa
confrontabile con quella dell’elettrone
• 1932/1933 - Blackett e Occhialini
osservano sciami che appaiono non
essere prodotti da elettroni o altre
particelle cariche. Diventava necessario
postulare l’esistenza di “raggi neutri”
capaci di produrre gli sciami. Secondo
Blackett e Occhialini si trattava
probabilmente di fotoni di alta energia.
La teoria di Dirac
•Perché i positroni sembravano così rari?
•Perché gli sciami apparivano contenere un ugual
numero di elettroni positivi e negativi?
• Annichilazione della coppia
elettrone-positrone, la massa si
converte in energia secondo la
relazione E=mc2, emessa sotto
forma di radiazione.
• Produzione di coppie: fotoni
di energia sufficiente sono in
grado di produrre una coppia
elettrone-positrone.
La teoria di Bethe e Heitler
• Era ben noto che elettroni veloci durante il meccanismo di
frenamento nella materia producono fotoni (modo per
generare raggi X). Si riteneva tuttavia che l’energia perduta
dagli elettroni costituisse una piccola frazione dell’energia
perduta attraverso il processo di ionizzazione. Bethe e
Heitler svilupparono (1934) mediante l’elettrodinamica
quantistica, una teoria che permise loro di calcolare sia la
perdita di energia di un elettrone per Bremsstrahlung, sia la
sezione d’urto di produzione di coppie elettrone-positrone da
parte di raggi gamma di alta energia. A quel punto si riteneva
che tutte le particelle cariche nella radiazione cosmica
“locale” fossero elettroni positivi o negativi.
• Restava un interrogativo: l’esistenza di particelle
incredibilmente penetranti: “La teoria quantistica sembra del
tutto sbagliata per elettroni di tale energia”.
Interazione dei fotoni con la materia
• Effetto fotoelettrico: fotone assorbito da un atomo ed
emissione di un elettrone da uno dei gusci elettronici
• Effetto Compton: un fotone viene diffuso da un elettrone
atomico. L’effetto si verifica quando un fotone interagisce
con un elettrone libero che senza perdita di generalità si può
considerare a riposo, il fotone di energia iniziale W viene
diffuso a un angolo  con energia ridotta W’, mentre
l’elettrone si sposta in un’altra direzione con energia
E’k = W-W’ ottenuta dal fotone.
• Produzione di coppie: un fotone è convertito in una coppia
elettrone-positrone. Questo processo non può avvenire nello
spazio vuoto perché l’energia e l’impulso non si conservano
contemporaneamente quando il fotone decade in due
particelle massive, è necessario il campo coulombiano del
nucleo che aiuta a conservare energia e impulso.
Dipendenza dall’energia
• A basse energie (inferiori a 100 keV),
domina l’effetto fotoelettrico, il Compton è
piccolo e la produzione di coppie è
energeticamente impossibile.
Efotoelettrone=Eg-Elegame
• All’energia 2mec2= 1.022 MeV diventa
possibile la produzione di coppie e
rapidamente diventa dominante.
• Nell’effetto Compton il fotone viene diffuso
da un elettrone debolmente legato e ha una
energia inferiore. Negli altri due processi i
fotoni scompaiono nell’interazione.
• Nell’effetto fotoelettrico il fotone incidente
cede tutta la sua energia al fotoelettrone
liberato, nel Compton la radiazione primaria
è parzialmente assorbita.
Fotoni
e loro
interazioni
Elettroni e materia
• I processi che interessano gli elettroni di
nuovo sono: processi di ionizzazione e
processi di scattering elastico in cui le
perdite di energia sono molto modeste.
Ma il processo più importante è quello di
bremsstrahlung in cui un elettrone
riproduce un fotone di alta energia,
soprattutto la parte cosiddetta alta della
testa della bremsstrahlung. Però c’è
sempre una perdita quasi continua di
radiazione che corrisponde alla
bremsstrahlung più molle, che dà una
perdita dell’energia per radiazione
dell’elettrone che sta attraversando la
materia.
Perdita di energia per gli elettroni
• Il più importante è la perdita di energia per radiazione, un
meccanismo trascurabile per particelle pesanti, ma
dominante per gli elettroni di alta energia.
• Si considerano due regioni separate: E < Ec ed E > Ec
L’energia caratteristica dell’assorbitore, l’energia critica Ec, è
quella alla quale il tasso di perdita di energia per un elettrone
veloce attraverso la ionizzazione eguaglia quella che avviene
attraverso l’irraggiamento. Varia all’incirca come Z2.
• A energie molto inferiori all’energia critica Ec, data
approssimativamente da 600MeV/Z dominano l’eccitazione
e la ionizzazione degli elettroni legati dell’assorbitore. Al di
sopra dell’energia critica, prende il sopravvento la perdita di
energia per irraggiamento.
Energia critica
Lunghezza di radiazione
• A causa dell’emissione di questi fotoni, l’elettrone perde
energia e la distanza su cui questa energia si riduce di un
fattore e si chiama lunghezza di radiazione, denotata
convenzionalmente con Xo. In termini di Xo la perdita di
energia per irraggiamento per elettroni di alta energia è
Secondo l’equazione che governa la perdita di energia un
elettrone altamente energetico perde la sua energia
esponenzialmente e dopo circa sette lunghezze di radiazione
gli resta soltanto un millesimo della sua energia iniziale.
Tuttavia i fotoni di bremsstrahlung hanno energie molto
superiori a 1 MeV e possono produrre coppie.
Potenza dello sciamatore
•Quando si parla di cascata, cioè di un processo di tipo moltiplicativo
lungo l’evoluzione, si introduce un parametro di scala importante, un
parametro che si chiama lunghezza di radiazione. Tra un evento di
moltiplicazione della cascata e il successivo, tipicamente ci corre una
lunghezza di radiazione. Un buon sciamatore, che consuma tutta l’energia
del primario, è uno sciamatore che è lungo molte lunghezze di radiazione.
Questa lunghezza misura la distanza media, per es, tra l’ingresso di un
gamma primario e la produzione di una coppia, oppure l’ingresso di un
elettrone e la produzione di un gamma di energia elevata e poi la cosa si
ripete.
•La teoria degli sciami si preoccupa di vedere dove sta il massimo dello
sciame. Si parte da una unica particella energica e il massimo corrisponde
al massimo numero di secondari prodotti, da quel punto in poi la cosa
comincia a calare. Quando è arrivata al massimo l’energia è diminuita. Il
numero di particelle nel massimo dice che l’energia del primario, divisa il
numero di particelle nel massimo, è l’energia rimasta ai singoli. Quando
questa energia è grosso modo quella utile a produrre una coppia, a quel
punto il massimo è finito e lo sciame si è evoluto completamente.
•Quello che conta è soprattutto la dipendenza da Z, interviene la potenza
dello sciamatore. L’altra cosa è il problema dell’apertura angolare dello
sciame, che si può calcolare utilizzando le sezioni d’urto.
Cascata elettromagnetica
Lo schema a cascata postula una successione di
eventi: un elettrone incidente di alta energia irradia
fotoni quando viene deflesso nel campo
coulombiano del nucleo. Il fotone generato
produce una coppia elettrone-positrone nel campo
di un altro nucleo, o eccita un elettrone Compton e
così via. Gli elettroni secondari subiscono lo stesso
tipo di processo, il numero di particelle aumenta
mentre l’energia media diminuisce e uno sciame a
cascata di elettroni e fotoni si forma finché il livello
di energia diventa talmente basso che non possono
più generarsi i processi di foto emissione e
produzione di coppie. L’energia dello sciame alla
fine viene dissipata attraverso gli effetti Compton e
fotoelettrico sugli elettroni atomici da parte dei
fotoni e attraverso la ionizzazione e l’eccitazione
degli atomi dell’assorbitore da parte degli elettroni.
Nascita e morte di uno sciame generato
da un singolo elettrone di energia E0
• La figura mostra il numero medio di elettroni con energia maggiore di
E in corrispondenza dello spessore dell’assorbitore t. Ascissa:
spessore in lunghezze di radiazione, ordinata: log P, numero medio di
elettroni con energia maggiore di E.
• Le sezioni d’urto per la produzione di coppie e per l’emissione di
fotoni sono proporzionali a Z2. Elettroni e fotoni sono maggiormente
assorbiti da elementi pesanti.
Il numero medio
di elettroni
aumenta da 1 a
t=0 fino a un
massimo e alla
fine scende al di
sotto dell’unità
Coefficienti di assorbimento
Coefficiente di
assorbimento totale di
fotoni gamma da parte
dell’alluminio e del
piombo. L’assorbimento
fotoelettrico per l’alluminio
è trascurabile alle energie
considerate. Le linee
tratteggiate mostrano
separatamente i contributi
dell’effetto fotoelettrico,
dello scattering Compton e
della produzione di coppie
per il piombo. In ascissa
l’energia in scala
logaritmica.
corrisponde a 511 keV
Diagramma di uno sciame
Lo sviluppo di una cascata
indotto da elettroni,
positroni o fotoni è
governato dalla
Bremsstrahlung e dalla
produzione di coppie.
L’elettrone OA genera lo
sciame. In B il fotone AB
si materializza in due
elettroni BC e BD. In Q un
fotone è prodotto per un
processo di
Bremsstrahlung. In R
perde la sua energia
materializzandosi in una
coppia di elettroni. A
livello PQ lo sciame è
divenuto estremamente
complesso.
La produzione
di coppie e la
Bremsstrahlung
controllano lo
sciame
Eventi
elettromagnetici
• A - Elettrone di knock-on.
• B - Nascita dello sciame
• C - Il positrone perde bruscamente
energia emettendo un fotone
(Radiazione di Bremsstrahlung). Il
fotone a sua volta fa schizzare via
un elettrone da un atomo - effetto
Compton. Gli elettroni solitari sono
elettroni Compton.
• D - Un fotone è stato emesso da un
elettrone accelerato: di nuovo si ha
radiazione di Bremsstrahlung.
• E - Coppia elettrone-positrone
prodotta da un fotone di alta
energia nel campo di un nucleo.
Assorbimento di uno sciame
Numero medio degli elettroni
come funzione dello spessore
di piombo attraversato.
Curva teorica per un
primario di energia E0=230
MeV. Punti sperimentali
corrispondenti a una media
su 11 sciami.
Bahbha e Heitler
Questa interpretazione degli sciami dei raggi
cosmici fu sviluppata quasi simultaneamente
(1937) da Bhabha e Heitler in Inghilterra, e da J.
Carlson e Oppenheimer negli Usa. La teoria
dettagliata del processo di cascata presentava un
difficile problema matematico di natura statistica:
il punto esatto in cui un dato fotone si
materializza in una coppia o un elettrone irraggia
è frutto del caso. Come l’energia del fotone o
dell’elettrone si distribuisca fra le due particelle
prodotte nel singolo evento è ugualmente una
questione largamente legata al caso. Di
conseguenza gli sciami iniziati da fotoni o
elettroni di una data energia non hanno lo stesso
aspetto. Si può tuttavia indagare sul
comportamento medio.
Rigenerazione di
uno sciame
Successo della teoria
• La teoria degli sciami provò la correttezza della teoria di
Bethe e Heitler e stabilì altri fatti importanti:
• 1 - La radiazione cosmica locale contiene elettroni e fotoni
con energie dell’ordine dei GeV
• 2 - Gli sciami osservati risultano da processi in cascata
iniziati da questi elettroni e fotoni
• 3 - Le interazioni individuali responsabili delle cascate sono
le collisioni radiative di elettroni e la produzione di coppie
da parte di fotoni in vicinanza dei nuclei, in cui peraltro non
inducono alcun cambiamento della struttura.
• 4 - Le particelle ionizzanti che costituiscono la componente
molle della radiazione cosmica locale sono gli elettroni degli
sciami originati nell’atmosfera o nel tetto dell’edificio dove
vengono effettuati gli esperimenti.
Chiarito un mistero, ne resta un altro…
Questi risultati erano gratificanti. Tuttavia era ancora necessario rendere conto
dell’apparente contraddizione tra i dati sperimentali sugli sciami, che sembravano
confermare la teoria di Bethe e Heitler e i dati sulle particelle penetranti, che sembravano
contraddirla. Carlson e Oppenheimer calcolarono lo sviluppo di una cascata usando le
sezioni d’urto di Bethe e Heitler e dimostrarono che non potevano andare troppo lontano
in termini di lunghezza di radiazione. Nell’introduzione sottolineavano quale fosse il
dilemma: o la teoria (quella che oggi chiamiamo QED) non è valida a energie elevate, o i
raggi cosmici di energia elevata sono fatti di particelle che non sono elettroni ed
affermavano che, se la seconda alternativa era corretta, allora queste particelle “are not
previously known to physics”.
La comprensione della natura della
componente penetrante richiese ancora del
tempo. L’evento svolta fu la scoperta nel
E=1015-1016 eV
1937 da parte di Neddermeyer e Anderson
della prova inconfutabile che le particelle
cariche e penetranti dei raggi cosmici hanno
una massa intermedia tra quella dell’elettrone
e quella del protone, particella che fu
chiamata mesotrone.
Ma questa è un’altra storia…