I raggi cosmici:
una storia affascinante.
Prof. Pietro Dalpiaz
Università di Ferrara e INFN
Vedi: Alla ricerca dell’uno. Robert P. Crease e Charles C. Mann, Ed. Arnoldo Mondadori 1986, pg.191
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-The Particle Explosion. F.Close, M.Marten and C.Sutton. Oxford University Press (New York)1987
-1896 H.Becquerel, conservatore come suo
padre e suo nonno di un museo delle pietre
luminescenti a Parigi si entusiasmò della scoperta dei raggi X (che allora venivano rivelati con
lastre fotografiche) e volle provare se venivano
emessi dalle sue pietre. Espose al sole un minerale chiamato uranile, solfato doppio di U e K, e
trovò che oltre alla luce il minerale eccitato imprimeva un la lastra fotografica. In un periodo senza sole depose casualmente un pezzo di
uranile sopra una chiave ed una lastra fotografica ben incartata
in un cassetto. Espose poi il minerale al sole e finalmente sviluppò la lastra e trovò la macchia del minerale con dentro la forma
della chiave. Comprese che il minerale da solo emanava una radiazione nuova più penetrante dei raggi X e che nulla aveva a
che fare con la luminescenza, era la Radioattività.
Immediatamente molti scienziati si dedicarono a studiare la radioattività Marie Sklodowska Curie separò chimicamente gli elementi
dell’uranile ed ha scoperto che l’uranio metallico era 5 volte meno
attivo del uranile. Quindi cercò qualche altra sostanza che giustificasse il fatto, così scopri un altra sostanza attiva con proprietà simili al
Bismuto che chiamò Polonio, ed un’altra simile al Bario ~ 2.000.000
di volte più attiva dell’Uranio, il Radio. Molte altre sostanze radioattive sono state scoperte in seguito. Questi fatti suscitarono un grande
entusiasmo per le ricerche sulla Radioattività che rapidamente
provocarono grandi scoperte.
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La radioattività veniva rivelata con lastre fotografiche. In seguito si scopri che
rendeva leggermente conduttiva l’aria e ciò provocava la scarica degli elettroscopi e questo divenne un nuovo metodo di rivelazione della radioattività.
Nel 1909 il gesuita Theodor Wulf
insegnante di fisica nel Liceo dei
Gesuiti di Valkenburg (Olanda)
inventa un nuovo tipo di elettroscopio,
così sensibile, da essere adottato
dagli scienziati di tutto il mondo i quali
si resero conto che ovunque fosse posto
perdeva la carica anche senza sorgenti
radioattive evidenti.
Fu una ricerca affannosa nei luoghi più disparati. Lo
Elettroscopio
stesso Wulf lo portò con se in un viaggio in Germania e
di Wulf
sulle Alpi Svizzere. La sfortunata spedizione del Capitano
Scott in Antartide del 1911 comprendeva un meteorologo
che effettuò misure con elettroscopio di Wulf in Oceano
ed in Antartide. La scarica residua si manifestò dappertutto, in misura diversa, e gli scienziati conclusero che doveva essere causata dal debole fondo di radioattività
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presente nella crosta terrestre.
-1910 il 30 marzo, in una fredda giornata parigina, padre Wulf aprì la porta dell’ascensore
sulla cima della Torre Eiffell e trascinò le apparecchiature sulla piattaforma e a 300m di
altezza sopra la piazza di Champ de Mars trascorse l’intera giornata a misurare la
conducibilità dell’aria. I risultati ottenuti lo lasciarono stupefatto.
Wulf sapeva che le centinaia di metri di aria che lo separavano dal suolo
avrebbero assorbito quasi per intero le emissioni radioattive della Terra e che
la torre era quasi esente da radioattività. Ma per l’intero periodo di quattro
giorni da lui trascorsi lassù, l’elettroscopio continuava a scaricarsi, quasi
come a terra, solo un poco meno. Qualcosa stava causando quella perdita
ma quel qualcosa non era nella torre, ne nel suolo ne nell’elettroscopio stesso.
In agosto Wulf giunse alla conclusione che o doveva esserci un’altra
sorgente di emissioni radioattive nelle parti superiori dell’atmosfera
oppure che l’assorbimento della radioattività da parte dell’aria è
sostanzialmente più debole di quanto supposto fino ad allora.
Le osservazioni del gesuita suscitarono un grande interesse in Victor Hess,
che da poco era entrato a far parte dell’istituto per la ricerca sul Radio
fondato poco tempo prima a Vienna. Come molti altri fra i primi studiosi della
radioattività, Hess non prese molte precauzioni nel manipolare il radio, perdendo
infine il pollice in conseguenza delle ustioni da radiazione. Dopo avere effettuato
dei i controlli per accertare se l’aria non potesse avere assorbito la
radiazione proveniente dal suolo prima che raggingesse la cima della
torre Eiffel, Hess cominciò a credere che negli esperimenti di Wulf
ci fosse la presenza di una sorgente di ionizzazione non nota.
Uomo tenace e ostinato, Hess decise che l’unico modo buono per
verificare i risultati di Wulf fosse quello di fare misure ancora più
lontane dal suolo. In quelli anni significava l’uso di palloni
aerostatici, un procedimento assai pericoloso.
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1911-1913 Hess in quelli anni compie 10 ascensioni. Nei primi 8 voli trova
che l’aria è sempre ionizzata anche se un poco meno che a terra, ma molto di più di ciò che corrisponderebbe se fosse dovuta alla radioattività della crosta terrestre attenuata dallo strato di aria. All’alba del 7 agosto 1912
inizia il IX volo staccandosi dal suolo a Praga, con il suo pallone rosso e
arancione atterrando 6 ore dopo vicino a Berlino, a 29 anni Hess aveva
scoperto qualcosa di importante.
Victor Hess
A 4500m di altitudine l’elettroscopio
si scaricava a velocità doppia che a
livello del suolo. Hess giunse alla
sconvolgente conclusione che
raggi con alto potere di
penetrazione, entrano nella
nostra atmosfera dall’’alto.
Dapprima suppose che raggi provenissero dal Sole, ma nei voli
notturni si osserva lo stesso fenomeno, per cui gli fu chiaro che
provenivano dallo spazio esterno.
Le idee di Hess furono accolte con
derisione. L’idea che raggi interstellari
capaci di attraversare centimetri di
materiale bombardassero di continuo
la Terra, sembravano inconcepibili.l
Hess atterra in un
pascolo vicino
Berlino il
7 Agosto 51912
Qualcuno suggerì che la bassa pressione atmosferica delle grandi altitudini avesse confuso gli strumenti di Hess; che effetti elettrici propri delle alte quote (ovviamente sconosciuti) avessero messo
fuori uso l’elettroscopio; che cioè Hess fosse un incompetente.
Mentre Wulf lavorava a migliorare i suoi elettroscopi, il tedesco Werner Kolhörster
fece cinque voli, in pallone, culminati con una ascesa interminabile oltre i 9000m,
leggermente più in alto della vetta dell’Everest, il 28 Giugno del 1914. Egli trovò
che a quella quota il livello di ionizzazione era dodici volte maggiore che a
livello del mare. Hess aveva ragione!!!
Purtroppo lo stesso giorno in cui Kolhörster portò I suoi elettroscopi ad altezze record,
a Serajevo fu assassinato l’erede al trono d’Austria e Ungheria, e questo delitto mise in
moto una catena di eventi che portò alla guerra con vertiginosa velocità, in tutta Europa.
Le ascensioni in pallone cessarono; i laboratori in montagna furono abbandonati; e tutte
le ricerche sulla strana radiazione proveniente dall’alto cessarono, mentre la civiltà occidentale rivolse la sua attenzione all’autodistruzione.
Ebbe inizio così la storia di quelli che in seguito sarebbero stati chiamati raggi cosmici,
una potente radiazione che investe il nostro pianeta dallo spazio e che gli scienziati
stanno cominciando a capire solo oggi. La storia dei raggi cosmici è una storia a se;
iniziata in modo quasi casuale, e persino banale, per cercare di capire la ragione della
scarica in laboratorio degli elettroscopi. La fisica dei raggi cosmici crebbe fino a diventare una disciplina a se e trasversale a molti interessi di fisica, popolata di personaggi avventurosi che non avevano la voglia di chiudersi in laboratorio. I raggi cosmici fornirono
materiale per la verifica della teoria della relatività ristretta, per la scoperta dell’antimateria, delle importanti particelle contenenti quark strani, per le oscillazioni dei neutrini e
stimolarono la creazione di tecnologie quali il circuito AND e l’elettronica digitale sulla
quale si basano i moderni calcolatori. Qualcuno scrisse: “Quest’argomento è unico nella fisica
moderna per la piccola scala dei fenomeni, la delicatezza delle osservazioni, le avventurose
escursioni degli osservatori, la sottigliezza dell’analisi e la grande portata delle inferenze.”
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E si potrebbe anche aggiungere: per la profondità della confusione che
qualche volta si è creata.
Spesso si ebbero idee giuste per ragioni sbagliate, idee sbagliate per
ragioni giuste: le conclusioni scientifiche furono spesso plasmate da casi
fortuiti, ostilità preconcette e ideologiche più che dalla dedizione logica.
Dopo la guerra, “fatta per mettere fine a tutte le guerre”, quando riprese lo
studio dei raggi cosmici la maggior parte delle sfortune si accanirono su un
nuovo venuto in questo campo, Robert A. Millikan il più famoso
scienziato americano del tempo che aveva dimostrato la quantizzazione
della carica elettrica, risultato per il quale vinse il premio Nobel per la
fisica (nel 1923). Secondo americano a vincere il premio. Millikan figlio di
un pastore congregazionalista, deriva gran parte della sua celebrità
dall’impegno con cui tentò di esercitare una mediazione tra la religione
e i risultati ottenuti dalla scienza, in un periodo in cui il conflitto tra
religione e scienza sembrava insanabile. Millikan fu uno scienziato
profondamente cristiano nel periodo in cui gli Stati Uniti furono travagliati
dal Proibizionismo, dal Ku Kluz Klan e da processo Scopes (la proibizione
i insegnare le teorie evoluzionistiche in particolare le idee di Darwin).
Millikan credeva che la religione senza scienza avesse prodotto
“dogmatismo, bigotteria e persecuzione”, ma sosteneva anche che la
scienza era meno importante di “una fede nella realtà di valori morali e
spirituali”. Queste affermazioni erano graditissime alle colonne dell’ordine
sociale; il New York Times, per esempio, affermò che la posizione morale
di Millikan era “persino più significativa” della sua fisica. Uomo rigido,
alieno ad ogni compromesso, Millikan era privo di una qualità indispensabile per uno scienziato, quella del dubbio; egli trattava le idee come
dogmi di una fede religiosa. Gli errori causati dal suo dogmatismo furono
ingranditi da suo genio per la pubblicità, che lo faceva sempre circondare
da un nugolo di giornalisti.
Robert Millikan
(lancia palloni)
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Nel 1914 Millikan aveva letto gli articoli di Hess e Kolhöster e decise di dare un occhiata
alla radiazione penetrante. Ritenendo che i voli con equipaggio umani non potessero
raggiungere altitudini sufficienti , cominciò a sviluppare elettroscopi di Wulf estremamente leggeri, con un apparecchiatura di registrazione automatica, per palloni senza
equipaggio. La ricerca fu bloccata dall’entrata in guerra degli USA; alla fine del conflitto,
però, Millikan e un suo allievo costruiscono un complesso di minuscoli strumenti del
peso di 200gr per la misura della temperatura e della pressione, uno spettroscopio di
Wulf e una macchina fotografica per registrare i dati. Nella primavera del 1922, Millikan
fece salire le sue apparecchiature dalla base dell’Aviazione di Kelly a San Antonio nel
Texas, un pallone si alzò fino 15.000m. Millikan trovò che il ritmo di scarica era molto più
basso di quello osservato dagli europei. Concluse che aveva una prova certa che una
radiazione cosmica penetrante non esisteva. In un altro esperimento in cima del Pike’s
Peak, nel gelo di 4300m, sul livello del mare, produsse risultati simili
I dati di Millikan erano esatti, ma le sue conclusioni furono sbagliate. Come si scoprì in
seguito i raggi cosmici non sono distribuiti in modo uniforme sulla superficie terrestre.
Per puro caso, Millikan condusse i suoi esperimenti in regioni degli Stati Uniti occidentali
con livelli di raggi cosmici anormalmente bassi, e ne concluse scorrettamente che gli
europei avessero compiuto misurazioni erronee. Hess sostenne che i dati Kolhöstner
erano più degni di fede di quelli Millikan, mentre Kolhöstner eseguì altri esperimenti su
ghiacciai alpini per confermare i suoi risultati.
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Millikan, che non era tipo da tollerare nemmeno il sospetto di un errore, compì una terza
ricerca nel 1925. I raggi cosmici se esistevano, dovevano essere raggi gamma provenienti dalle stelle. Millikan sapeva che un raggio gamma capace di attraversare, per esempio,
un metro d’acqua prima di essere assorbito, sarebbe stato capace di attraversare 1116m
di aria, poiché l’acqua è appunto 1116 volte più densa dell’aria. Nell’agosto di quell’anno
egli portò le sue apparecchiature in due laghi montani profondi della catena del San
Bernardino in California: il Muir a 3600m, sotto la vetta del monte Whitney e il lago
Arrowhaed 500km più sud ma a 1600m di altitudine,e trovò come si aspettava di trovare
la stessa intensità di radiazione in riva al lago Arrowhead che a 1.8m di profondità del
lago Muir. Millikan fece allora un voltafaccia affermando di non essersi mai pronunciato
realmente contro l’esistenza dei raggi cosmici.
Giudicando con il senno di poi,
egli era nel giusto per la ragione
sbagliata, poiché i raggi
cosmici non sono raggi gamma,
non si comportano come questi
e non vengono assorbiti in modo uguale da masse di aria e di
acqua. Se le apparecchiature di
Millikan fossero state più
sensibili, egli avrebbe scoperto
i diversi livelli di assorbimento
ma ancora una volta avrebbe
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Millikan ed il suo gruppo
tratto la conclusione sbagliata.
sul monte Whitney
I risultati di Millikan suscitarono grande eccitazione nel pubblico, convinsero la comunità scientifica
americana e piacquero ai colleghi europei, almeno in un primo tempo, ma ben presto ebbero motivo
di irritarsi, quando gli americani cominciarono a designare Millikan come scopritore dei raggi cosmici
Benché fosse stato lo stesso Millikan a coniare l’espressione “raggi cosmici”, il New York Time
propse di chiamarli “raggi Millikan” in onore di ”un uomo dalla personalità tanto lodevole e modesta”;
talune riviste americane parlarono de “raggi M”. Ne seguì una comica polemica tra Millikan e gli
studiosi europei dei raggi cosmici, su chi avesse prodotto le prime prove certe della loro esistenza.
Benché la maggior parte degli scienziati americani si siamo infine resi conto che Millikan era venuto
dopo, una storia dei raggi cosmici pubblicata negli USA nel 1936 descrisse Hess e soci come ”un
gruppo di scienziati animati di spirito nazionalistico ma male indirizzati”. Quell’anno, quasi un quarto
di secolo dopo i suoi fondamentali voli in pallone, il Premio Nobel per la fisica fu assegnato a
Victor Hess, “per la scoperta della radiazione cosmica”
Fino al 1929 si suppose che i raggi cosmici fossero una forma più potente dei raggi gamma; Millikan,
in particolare, fu tra i fautori di questa concezione. Il primo esperimento che contestò questo assunto
fu compiuto da Kolhörster e da un altro fisico tedesco, Walter Bothe, che è stato iniziato alla fisica
da Hans Geiger, che gli aveva fatto conoscere il nuovo strumento da lui inventato per lo studio delle
radiazioni, il famoso contatore Geiger, che rappresentava un grande progresso rispetto ai vecchi
rivelatori di radiazione (particelle): l’elettroscopio di Wulf e lo schermo a scintillazione di Rutherford.
Hans Geiger
Il contatore di Geiger consiste fondamentalmente in un tubo metallico riempito di un gas inerte
(Ar) con un sottile filo metallico isolato (rosso), teso al centro lungo l’asse. Il filo è messo ad alta
tensione positiva rispetto alle pareti del cilindro metallico. Quando una particella elettricamente
carica passa velocemente attraverso il gas, stappa alcuni elettroni agli atomi del gas. Gli elettroni, di carica negativa sono accelerati verso il filo positivo e così veloci da strappare molti
elettroni dal gas che a loro volta ne producono altri in una specie di cascata, che si
propaga rapidamente un tutto il contatore producendo molti altri elettroni, che
raccolti dal filo positivo producono uno sbalzo (impulso) notevole nella corrente,
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che in alcuni modelli si trasforma in un clic reso famoso da molti film
(il Geiger vede male la radiazione neutra, tipo i gamma).
+
Nella primavera del 1929 Bothe e Kolhörster usarono, per accertare la natura dei raggi cosmici 2 contatori Geiger uno sopra l’altro e contarono il numero di volte in cui i contatori registravano il
segnale nello stesso istante (coincidenze). Trovarono un buon
numero di coincidenze, che assicurava che i due Geiger erano
stati colpiti dallo stesso raggio un numero di coincidenze tale da
escludere che due raggi colpissero nello stesso intervallo di
tempo i due contatori. Pensarono che le coincidenze fossero
dovute ad elettroni colpiti da raggi gamma (neutri) con
energia sufficiente da passare per entrambi i contatori.
Per confermare le ipotesi interposero tra i due contatori ben 5 cm
di Piombo, che avrebbero dovuto assorbire tutti gli elettroni e
quindi eliminare le coincidenze. Contro ogni previsione ciò non
avvenne a parte pochi casi dovuti a coincidenze casuali.
Per Bothe e Kolhörster (BK), questo fatto suggeriva che i contatori non
stesero raccogliendo elettroni rimbalzati, bensì gli stessi raggi cosmici
elettricamente carichi ad alta energia, cioè capaci di attraversare indenni
5cm di piombo.
Anche in Italia sono stati fatti esperimenti simili, e furono installati laboratori
in alta montagna sul Monte Rosa e sulla Marmolada.
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Per stringere i tempi delle coincidenze Bruno Rossi professore
all’Università di Padova, ha inventato un congegno elettronico
fatto di triodi in conduzione. Le griglie erano connesse attraverso
un condensatore al filo positivo dei Geiger. Quando i Geiger conducono mandano un segnale negativo che blocca il triodo corrispondente. Quando tutti i triodi sono bloccati c’è un chiaro impulso
che è il segnale di coincidenza di tutti i Geiger, meglio diun millesimo di secondo, è il circuito di AND. Con questo circuito ha avuto inizio l’elettronica digitale che non solo ha dato un grande contributo alla ricerca di fisica, ma è alla base della tecnologia dei
computers ed ovviamente alla base dell’automazione e della
robotica. Attualmente si costruiscono circuiti di AND con
risoluzioni temporali di ben un centesimo di miliardesimo di
secondo (10psec=10-11sec).
Bruno Rossi nel suo laboratorio
all’Università di Padova. Trasferito
negli USA fu lo scopritore dei raggi X
e gamma galattici ed extragalattici.
Non vinse mai il premio Nobel.
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Molti specialisti dei raggi cosmici pensarono che l’esperimento B K doveva essere sbagliato: specialmente Millikan (M), il quale insisteva nell’identificare i raggi cosmici con i fotoni (gamma). Quando
il codazzo dei giornalisti che lo seguiva passo a passo chiese a M se dopo tutto, i raggi cosmici non
potessero essere particelle cariche, egli scattò: “Potreste paragonare altrettanto ragionevolmente un
elefante a un ravanello. Ciò che avevano osservato BK, sostenne M, non erano particelle primarie
dei raggi raggi cosmici, bensì particelle secondarie, particelle che erano state colpite dai raggi cosmici. BK non riuscirono a confutare questa affermazione. Essi sapevano però che se i raggi cosmici
fossero stati formati da particelle cariche, la loro traiettoria sarebbe stata modificata da un campo
magnetico. Il problema era quello di trovare un magnete in grado di protendersi nello spazio in
misura sufficiente a permettere ai fisici di studiare l’effetto sui raggi cosmici in arrivo. Sulla Terra non
c’è ovviamente nulla di simile tranne la stessa Terra con il suo campo magnetico.
Negli anni venti il norvegese Frederik Stǿrmer si era accorto che le particelle cariche emesse nei
brillamenti solari sono deviate dal campo magnetico terrestre verso i poli, dove la loro tremante
danza aerea crea le aurore boreali. Se i raggi cosmici erano effettivamente particelle cariche, dovevano anche essi incanalarsi lungo le linee magnetiche e scendere in numero massimo ai poli. Nel
1927 un fisico olandese, Jacob Clay, portò con se degli elettroscopi nei suoi viaggi per mare fra
l’Olanda e Giava, trovò che nell’Europa settentrionale c’era il 50% di radiazione in più che all’equatore. M non aveva trovato alcun effetto della latitudine nel suo viaggio per mare tra gli USA e il Cile:
era questa una delle ragioni per cui era convinto che i raggi cosmici fossero fotoni. Bothe tentò di risolvere personalmente questo disaccordo con un soggiorno nell’isola norvegese di Spitzbergen a
poche centinaia di km dal Polo Nord. Egli non trovò alcun effetto.
La controversia spinse alcuni scienziati europei a misurare le intensità dei raggi cosmici nelle più
svariate località e alle massime altitudini. Hess e alcuni colleghi installarono elettroscopi in osservatori di montagna nelle Alpi. Kolhöster portò le sue apparecchiature nelle miniere di salgemma di
Stassfurt. Lo sviluppo di cabine pressurizzate per palloni aerostatici consentì di salire a quote senza
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precedenti. Nel 1931 Auguste Piccard salì nella stratosfera portando un elettroscopio.
Quando il sole caldissimo delle alte quote surriscaldò la cabina, l’equipaggio sopravisse leccando
gocce d’acqua dalle pareti. Il poeta Gabriele d’Annunzio, esaltato dal pensiero di sfidare la morte nel
nome della conoscenza, pregò Piccard di portarlo con se in volo. D’Annunzio, che non perdeva occasione per gesti stravaganti, dichiarò che era pronto, se necessario, a farsi gettare fuori bordo come
zavorra. Era molto meglio patire la nobile morte di essere gettato da un pallone, disse il Poeta, piuttosto che morire ignominiosamente fra due lenzuola.
Questi voli contribuirono ben poco tranne che al romanzo della storia. La pratica della misura casuale
dell’intensità dei raggi cosmici in ambienti pittoreschi era un modo estremamente inefficiente di risolvere la confusione sull’effetto della latitudine. Infine questi studi nell’atmosfera superiore divennero
l’assurdo pretesto per una prima versione della sfida spaziale, nella quale aeronauti americani, europei e sovietici si batterono con grande ardore per salire in pallone sempre più in alto nella stratosfera.
Era inevitabile che si verificassero delle tragedie. Tre russi salirono all’altezza record di 21km prima
che il loro pallone esplodesse ed essi precipitarono al suolo. Secondo alcune relazioni, le loro ultime
parole furono:”Abbiamo studiato i raggi cosmici”. Chissà? Essi furono sepolti nelle mura del Cremlino.
Nel frattempo le ricerche sui raggi cosmici si erano spostate definitivamente dall’Europa agli USA,
dove M si impegnò in un’altra lotta ampliamente pubblicizzata, questa volta contro un ex allievo,
Arthur Compton, che fu il III Nobel americano per avere descritto ciò che accade quando un fotone
e un elettrone si urtano, fenomeno noto attualmente come effetto Compton. L’esperimento d BK
aveva indotto Compton a pensare che i raggi cosmici fossero particelle cariche e come Bothe
pensava che le misure dell’effetto connesso alla latitudine avrebbe risolto il problema.
Nel 1930 Compton chiese al Carnegie Institute a Washington DC i fondi per condurre uno studio dei
raggi cosmici su scala mondiale. Una volta ottenuto il finanziamento suddivise il mondo in 9 regioni
ed inviò in ogni una di esse una diversa spedizione. A questa ricerca presero parte in tutto più di 60
fisici. Allen Carpè dell’ATT fu inviato in Alaska, dove assieme a un compagno di spedizione, scalò le
pendici del monte McKinley, cadde in un crepaccio sul ghiacciaio Muldrow e morì. Le apparecchiature e i dati furono recuperati e usati nella pubblicazione. Lo stesso Compton colmò tutti i vuoti 14
imbarcandosi nel marzo 1932 in un viaggio intorno al mondo con la moglie e il figlio adolescente.
Verso la fine del 1931, anche M si rivolse al Carnegie Inst. chidendo un finanziamento per eseguire
la propria serie di esperimenti. Lavorando con un giovane postdoc del Caltech, Henry V. Neher, che
si imbarcò nel settembre del 1932 su una nave che partiva per il Perù. Nel ’26 M, nel suo viaggio
verso le Ande, si era lasciato sfuggire l’effetto della latitudine perché subito a sud di Los Angeles c’è
una zona vasta nella quale l’intensità dei r.c. cala e si stabilizza bruscamente e fu un caso che M
mettesse in funzione l’elettroscopio subito dopo avere superato la zona. Per mera sfortuna, neppure
Neher si rese conto della “zona” durante il suo viaggio. Egli aveva con se due elettroscopi di cui uno
solo funzionava all’inizio ma anche questo cominciò a mal funzionare 48 ore dopo la partenza e lo
divenne completamente poco dopo, e si rese conto che il mare era troppo agitato per potere ripararli
cosa che avvenne nel porto di Mazatln, ma la “zona” critica era superata. Arrivato a Panama, Neher
telegrafa che non c’era nessun effetto latitudine, notizia che M propalò su tutti i giornali.
Il 14 settembre 1932 Compton annunciò che l’intensità dei raggi cosmici variava considerevolmente dall’equatore al Polo Nord. Parlando davanti a un folla di giornalisti Compton
disse: “Ovviamente, se il polo nord magnetico ha un effetto sui raggi, questi devono avere
una natura elettrica e non ondulatoria, come sostiene il dottor Millikan, la differenza rilevata
dai miei esperimenti sarà un duro colpo per il dottor Millikan”
M si rifiutò di commentare la notizia, riservando i suoi strali per il congresso annuale dell’American
Association for the Advancement of Science. Tre giorni prima del suo intervento ricevette un telegramma da Neher: “VARIAZIONE SETTE PER CENTO VIAGGIO DI RITORNO STOP RIMASTA
OCCULTA PER SISTEMA GUASTO ET NAVI DIVERSE STOP NEHER” Nel viaggio di ritorno era
passato per la “zona” ma con gli elettroscopi funzionanti. Posto di fronte all’evidenze dei fatti, M continuò a criticare aspramente Compton nel suo discorso. Poche ore dopo tornò alla ragione ed inviò
un violento telegramma di smentita al ”New York Time” (che aveva correttamente riferito che M propugnava la teoria dei fotoni) nel quale sosteneva che era in perfetto accordo con Compton. Il discor15sua
so alla AAAS fu completamente riscritto per la pubblicazione compromettendo ancora di più la
reputazione.
1911- C.T.R.Wilson ha inventato un rivelatore di radioattività
chiamato camera a nebbia. Consiste in una camera satura di
vapor d’acqua priva di polvere, abbassando rapidamente la
pressione si forma una gocciolina di acqua su ogni ione
prodotto, anche da quelli originati da una particella carica,
che così lascia una traccia fotografabile,
Misurando la densità di bollicine, che è equivalente
alla misura della ionizzazione specifica rilasciata si
riesce a misurare approssimativamente la massa
della particella che è passata ed ha prodotto la
ionizzazione
← elettroni
particelle alfa (4He) →
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Carl D. Anderson (un altro allievo di
Millikan) a Caltech con la camera a nebbia e l’elettromagnete.Un elettromagnete
di quelle dimensioni a quei tempi era un
oggetto costoso anche per grande consumo di corrente. Questa era una altra buona ragione per la quale questo di ricerche
si svilupparono in paesi industrializzati.
-1932 Carl D. Anderson, al Caltech con
una camera a nebbia in un campo
magnetico, studiando i raggi cosmici
trova una traccia uguale a quella lasciata
dagli elettroni ma con una curvatura
opposta a quella che corrisponderebbe
agli elettroni negativi.
Aveva scoperto il primo esempio di
antimateria prevista da
Paul A.Dirac nel 1927.
Sono stati chiamati positroni,
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La scoperta è stata confermato dopo due settimane da P. Blackett e
G. Occhialini). Per questa misura Giuseppe Occhialini aveva introdotto
una importante innovazione: il comando (trigger) elettronico. La camera
nebbia era circondata da contatori Geiger e per mezzo di coincidenze
inventate da Bruno Rossi e solo quando si presentava nei Geiger una
configurazione ritenuta interessante scattava il comando per la fotografia.
P. Blackett
Questa innovazione rese la camera
a nebbia uno strumento molto più potente e fu determinate per il premio Nobel a C.T.R.Wilson.
Il laboratorio del
Pic du Midi.
P. Blackett
La coppia
ElettronePositrone.
Ovviamente
il gamma
che gli
produce
non si vede
G. Occhialini
Nel 1933 sono stati trovati da P.Joliot e I.Curie, positroni nel decadimento di nuclei
radioattivi artificiali. Attualmente i positroni sono utilizzati nella PET (Positron Electron
Tomography) una diagnostica medica, in uso in alcuni ospedali,che è capace di 18
mostrare il funzionamento degli organi e non solo l’anatomia come le altre diagnostiche.
Nella sezione sui raggi cosmici della Conferenza Internazionale di Fisica del 1934 a Londra ci furono due principali argomenti di discussione, entrambi con profonde implicazioni
per il futuro della fisica:
1-Cinque anni prima una collaborazione franco-sovietica
aveva scoperto con una camera nebbia che in un urto dei
raggi avvenivano
esplosioni che
producevano sciami
anche di 20 particelle.
Questi eventi ponevano una inquietante
domanda: da dove
proveniva tutta
quell’energia?
La domanda
riguarda l’origine dei
raggi cosmici. La
risposta è arrivata
dopo 40 anni.
Questo è uno
sciame visto
successivamente
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2-Fu messo in evidenza che nei raggi cosmici erano presenti due componenti:
-Una, chiamata molle, che veniva assorbita da piccoli spessori, facilmente identificabile
con gli elettroni e positroni prodotti da interazioni secondarie dei raggi cosmici.
-L’altra, chiamata dura, poteva attraversare molti centimetri di piombo senza alterarsi,
era opinione generale che si trattasse di elettroni ad alta energia che non si
comportavano come previsto.
Anderson e
Dopo la conferenza di Londra C.D.Anderson e lo studente univerNeddermayer
sitario Seth Neddermeyer, si accinsero a smascherare la natura
degli elettroni duri servendosi della stessa camera a nebbia usata
per la scoperta del positrone alla quale introdussero una sottile
lastra metallica con contatori Geiger sopra e sotto e facevano
scattare la foto solo quando una particella
carica passava attraverso la lastra e per
fare questo hanno usato il trigger inventato
da G.Occhialini. Con la curvatura delle tracce provocata dal campo magnetico potevano determinare la carica elettrica e con la
densità delle bollicine potevano determinare la massa.
Passarono due anni a fotografare tracce e ad analizzarle. Anderson concluse che le particelle avevano le proprietà dell’elettrone ma non seguivano le
normali leggi perché avevano un valore della massa strano compreso tra
quella dell’elettrone e quella del protone. Nel agosto del 1936 pubblicò solo
le foto ma non le conclusioni perché fu scoraggiato dal famoso fisico teori20
co americano Robert Oppenheimer il quale continuava ad essere convinto
che osservavano solo elettroni velocissimi con un comportamento anomalo.
Solo al di là del Pacifico, in Giappone l’articolo Anderson provocò un poco di agitazione. Infatti al
famoso istituto di chimica e fisica Riken di Tokio lavorava un giovane fisico teorico Hideki Yukawa
che pochi anni prima aveva proposto l’esistenza di una particella di massa intermedia di circa 300
masse dell’elettrone, che chiamo il “quanto U” che doveva essere elettricamente carico, per poter
trasformare i protoni in neutroni e vice versa. Tale particella sarebbe stata necessaria per comprendere la forza che opponendosi alla repulsione dei protoni positivi teneva insieme i nuclei atomici. A
questa teoria non veniva dato alcun credito perché secondo l’opinione comune non si risolveva un
problema creandone un altro, vale a dire una nuova fantomatica particella.
Yukawa viste le foto di Anderson identificò le tracce con il quanto U e la discussione all’interno del
Riken convinse il direttore del laboratorio Nishina a organizzare un gruppo sperimentale che tra mille
difficoltà riuscì a ripetere l’esperimento di Anderson e nel 1937 avevano trovato una singola traccia
per la quale stimano la massa tra 180 e 360 masse dell’elettrone.
Qualche mese prima Anderson e Neddermeyer si recarono all’MTI, dove erano venuti a sapere che
due sperimentatori di Harvard, J.Street ed E.C.Stevenson, avevano ripetuto il loro esperimento e
trovato lo stesso risultato si apprestavano a pubblicare la scoperta della nuova particella. Costretto
a muoversi, Anderson inviò prontamente un articolo al “Physical Review”, sostenendo che esistono
particelle di carica unitaria ma con massa (che potrebbe avere un valore unico) maggiore di
quella dell’elettrone e molto minore di quella del protone. L’articolo dei giapponesi fu ritardato
dal Physical Review e ciò permise a Street e Stevenson di precedere i giapponesi sulla rivista.
L’articolo di Yukawa ebbe scarsa eco in occidente ma dopo questi eventi Oppenheimer lo tirò giù
dallo scaffale dove due anni prima lo aveva riposto, ed assieme a Serber, stilò una nota per il
Physical Review, che rovesciando la sua posizione, sostenne anche se con qualche esitazione, che
la nuova particella non solo esisteva ma era il quanto U di Yukawa che trasmetteva la forza nucleare. Il numero seguente della rivista conteneva un articolo di Stukelberg il quale faceva la stessa
21
identificazione senza reticenze. Stukelberg aveva fatto anni prima la stessa proposta di Yukawa,
ma non la pubblicò perché scoraggiato da W. Pauli.
Il nome di quanto U non attecchi mai e cominciarono a circolare una serie nomi: penetrone, dinatrone,
elettrone pesante, partcella X, baritrone, particella di Yukawa e persino yukone. Approfittando del
loro ruolo di scopritori Andersone e N. proposero “mesotone” ma intervenne con il solito piglio
Milikan, che era stato il maestro di Anderson, lo convinse a chiamarlo “mesotrone” perché era giusto
chiamarlo meso che in greco vuol dire medio ma doveva ricordare non solo il neutrone ma anche il
protone. Il punto sulla teoria dei mesotroni fu fatto da W.Heisenberg e da H.Euler nel 1938. Essi asserirono che i mesotroni vengono creati ad alte quote fra la radiazione cosmica incidente, ancora misteriosa, e le molecole dell’atmosfera. Una frazione dei mesotroni raggiungono il livello del mare formando la componente dura la quale interagisce con l’atmosfera producendo gli elettroni della componente molle. Per alcuni anni tutti erano convinti di avere compreso cosa erano i raggi cosmici. Ma
un’altra volta si sbagliava: il mesotrone non aveva nulla a che fare con le forze nucleari. Anni dopo a
commento di quel periodo Oppenheimer disse che il padre eterno aveva tirato un “tiro mancino”.
Il tiro mancino fu smascherate in circostanze drammatiche. Nel luglio del 1938, in Italia il governo di
Mussolini emanò leggi razziali che proibivano tra le altre cose agli ebrei di detenere cariche pubbliche come per esempio posizioni universitarie. Privato del suo lavoro di professore all’Università di
Padova, Bruno Rossi, dopo non poche difficoltà ricevette da parte del suo amico Compton l’offerta
di un posto all’’Università di Chicago. Bohr ruppe il tradizionale segreto che circondava il premio
Nobel e comunicò a Fermi, la cui moglie era ebrea, che sarebbe stato il prossimo vincitore, per permettergli di lasciare l’Italia. Dopo avere ricevuto il premio a Stoccolma, Fermi si reca direttamente a
New York alla Columbia University. La comunità di Fisica Italiana subì un colpo molto duro in conseguenza della partenza di Fermi, di Rossi e di molti altri. All’approssimarsi della guerra E. Amaldi uno
dei pochi professori rimasto all’Istituto di Fisica Guglielmo Marconi dell’Università di Roma ha raccolto intorno a se i ricercatori restanti in un unico gruppo. Di tale gruppo fecero parte Marcello Conversi
e Oreste Piccioni, due giovani che, con arroganza propria della gioventù, si consideravano parte
integrante della “nuova generazione” di fisici abili con i geiger, le valvole elettronica e i trigger22e
consideravano poco, la vecchia generazione che venerava la soffiatura del vetro..
Essi conoscevano la teoria del mesotrone, e sapevano che doveva essere verificata attraverso precise misurazioni delle proprietà della nuova particella. Ritenendo che i precedenti tentativi di accertare
la vita media del mesotrone fossero deficitarie dall’uso di apparecchiature elettroniche insufficienti.
Conversi e Piccioni si dedicarono con zelo al compito di sviluppare un circuito elettronico in grado di
misurare differenze di tempi dell’ordine di un decimilionesimo di sec (10-7sec). Conversi evitò l’arruolamento nell’esercito grazie all’ambliopia all’occhio destro, Piccioni fu arruolato ma riuscì a restare a
Roma. Amaldi teneva lezione alle sei e mezza del mattino così che gli studenti sotto le armi potessero assistervi prima di cominciare il servizio. Conversi e Piccioni comprarono le valvole elettroniche al
mercato nero, utilizzando materiali di provenienza dubbia e lavoravano di notte ai loro circuiti, costruivano i più i più veloci circuiti elettronici esistenti al mondo. All’inizio lavoravano all’Università ma
questa era localizzata vicino ad una stazione merci, e tutta la zona, dopo l’invasione alleata della
Sicilia nel luglio del 1943, fu pesantemente bombardata e dopo che decine di bombe devastarono la
sede universitaria, Conversi e Piccioni traslocarono in una cantina di un Liceo che trovandosi vicino
alla Città del Vaticano aveva minori probabilità di essere bombardato. Lavorarono tra un allarme aereo e l’altro in una città affamata, condividendo i locali con militanti della resistenza al fascismo e alla
successiva occupazione nazista di Roma, i quali gli aiutarono a recuperare materiali per gli esperimenti. All’inizio di settembre quando gli alleati erano arrivati in Calabria, dopo la firma di resa inizia
l’occupazione nazista e l’incubo di essere catturati dai tedeschi (Piccioni fu catturato una volta, ma
fu riscattato dal padre di un suo amico per una certa quantità di calze di seta).
Conversi e Piccioni assemblarono contatori Geiger e strati di metallo in una varietà di disposizioni per determinare quanta materia occorresse per arrestare un mesotrone. Subito
prima della liberazione di Roma da parte degli alleati nel giugno del 1944, essi riuscirono
a dimostrare che i mesotroni avevano una vita medi di circa 2.2 milionesimi di secondo.
Dopo la guerra vennero a sapere che Bruno Rossi aveva fatto la stessa misura nel 1942.
Con quella vita media alla velocità della luce i mesotroni possono percorrere solo 600m,
23
essendo formati decine di km in alto, vuol dire che la deduzione della relatività ristretta
della contrazione delle distanze e la dilatazione dei tempi era provata.
La vita media trovata era breve, ma almeno cento volte più lunga, di quella prevista dalla teoria di Yukawa per il mesotrone. Nella loro cantina, in mezzo alla città sinistrata, Conversi e
Piccioni si resero conto che al quadro mancava qualcosa. Alla fine delle ostilità, a Conversi e
Piccioni si unì un altro giovane, Ettore Pacini, la cui incipiente carriera in fisica era stata interrotta dalla necessità di uscire dall’esercito per unirsi ai gruppi partigiani del nord, I tre progettarono un nuovo esperimento per studiare l’enigmatico mesotrone:
Se il mesotrone era veramente la particella delle interazioni nucleari proposta da Yukawa,
i mesotroni positivi e negativi avrebbero dovuto avere un compotamento diverso quando
interagivano con la materia. I mesotroni positivi avrebbero dovuto essere respinti dai nuclei positivi per via delle forze elettromagnetiche ed attratti dalle forze nucleari, poichè però l’elettromagnetismo ha un grande raggio di azione avrebbe dovuto avere la prevalenza
sulle forze nucleari che hanno un raggio d’azione molto limitato, avrebbero dovuto essere
respinti lontano dai nuclei e decadere con la loro vita media. D’altra parte i mesotroni negativi dovevano essere attratti dai nuclei positivi interagire rapidamente e quindi non potrebbero decadere normalmente. Usando un complesso di “lenti” magnetiche, i tre sperimentatori, deflessero le particelle dei raggi cosmici verso un bastoncino di carbonio (carbone) dove si arrestavano. Nel carbonio i mesotroni positivi decadevano con la solita rapidità come previsto, cioè normalmente, ma nello stesso modo si comportavano anche molti di quelli negativi. In altri termini, i mesotroni negativi non furono assorbiti dai nuclei, ma
catturati dagli atomi e posti in orbita intorno ai nuclei finchè non decadevano. I tre ricercatori ed anche gli altri fisici su resero conto che il mesotrone non era la particella di
Yukawa. Oggi lo conosciamo con il nome di muone, non ha nulla a che fare con le forze
nucleari è un parente pesante degli elettroni e dei neutrini, con i quali ha in comune24il tipo
di interazione cioè quella debole.
“Sul carretto, trainato a mano da Oreste Piccioni e scortato in bicicletta da Edoardo Amaldi che, il
1 luglio del 1943, attraversa il centro di Roma, diretto al liceo Virgilio in via Giulia, c'è quasi tutto quel
che resta di tangibile della fisica italiana dopo tre anni di guerra. Si tratta di un apparecchiatura elettronica, molto sofisticata, messa a punto da Oreste Piccioni e Marcello Conversi, capace di misurare
tempi dell'ordine del milionesimo di secondo, ed è l'unica che permetta di determinare la vita media
dei mesotroni, particelle di natura ignota provenienti dallo spazio cosmico che attraversano per intero
l'atmosfera terrestre e giungono fino alle basse quote. Così, quando la cittadella universitaria di
Roma viene bombardata dagli aerei alleati, Edoardo
Amaldi, l'unico tra i ragazzi di via Panisperna rimasto in
Italia, decide di spostare l'apparato di Piccioni e Conversi
dall'Istituto di Fisica nelle più sicure grandi aule del piano
terra del liceo Virgilio. Decisione saggia, perché la scuola
in effetti si dimostrò"protetta" dai bombardamenti data la
sua vicinanza al Vaticano. Nei due anni di permanenza al
Virgilio quell'apparato elettronico, consentirà un esperimento che porterà alla scoperta del muone, e all'inizio
della fisica delle particelle o, meglio, delle alte energie”.
Lo
strumento
di
Conversi,
Piccioni
e Pancini.
25
L’eperimento dei tre italiani ha suscitato molte discussioni e tentativi spiegazioni compresa quella formulata da Robert Marshak un teorico della Cornell University che supponeva che esistessero due tipi
di mesotroni con masse diverse. Uno viene prodotto nell’alta atmosfera da collisioni nucleari dei raggi
cosmici con i nuclei, questa serebbe la particella di Yukawa che decade rapidamente nel mesotrone
più leggero che si trova poi a livello del mare e che non ha interazioni nucleari.
Nel 1945 il governo laburista inglese appena eletto istituisce al Ministero delle Risorse una commissione scientifica, presieduta da Patrik Blackett. Una delle decisioni è stata quella di sostenere la
Ricerca Nucleare non finalizzata alla difesa nazionale. A tale proposito ha istituito due comitati, uno
per lo sviluppo degli acceleratori di particelle e l’altro che includeva Cecil Powell per lo sviluppo di
lastre di emulsioni fotografiche spesse, per lo studio di reazioni nucleari. Con il sostegno del Ministero un gruppo di ricerca della Ilford Ltd, in collaborazione con Giuseppe Occhialini chiamato dal Brasile da Blackett (Occhialini nato a Genova nel 1907, appena laureato per ragioni politiche si era rifugiato in Inghilrterra dove lavorò con Blackett, durante la guerra per non correre rischi è emigrato in
Brasile) ha prodotto nel maggio del 1946 delle emulsioni spesse che contenevano 8 volte più del
normale Bromuro di Argento (AgBr).
C. Powell
26
G.Occhialini
Occhialini portò alcune lastre al laboratorio francese del Pic du Midì, ed i
risultati non tardarono. Si trovarono subito eventi di forti interazioni nucleari:
Il 24 maggio del 1947 sulla rivista Nature
compare un articolo firmato da due inglesi
C.F. Powell e H.Muirhead, un brasiliano di
origine italiana C.M.G.Lattes e dall’italiano
Giuseppe Occhialini, che lavoravano
all’Università di Bristol. L’articolo riportava
una fotografia fatta con una lastra
fotografica spessa esposta per un certo
tempo al Laboratorio del Pic du Midì.
Nella foto c’era la traccia di una particella
di massa intermedia che si fermava e che
decadeva in un’altra di massa simile. Era
la dimostrazione che in altitudine si
formavano le particelle di Yukawa che, o
interagivano con i nuclei oppure, in
particolare quelle positive, decadevano
molto rapidamente nei mesotroni che si
27
trovano al livello del mare.

Il pione si ferma
e decade in
un muone

Nel ottobre del 1948 con lo sviluppo di
lastre fotografiche sensibili alla bassa
ionizzazione degli elettroni si videro
anche questi:

Il pione si ferma
e decade in un muone
e
che si ferma e decade
in un elettrone

28
Si poteva dire che il famoso “tiro mancino” ipotizzato da
Oppenheimer era stato finalmente svelato. I raggi cosmici primari
interagivano con i nuclei degli atomi dell’atmosfera, producevano
la particella responsabile delle interazioni nucleari, proposta da
Yukawa, pesante 273 masse elettroniche, che attualmente si
chiama pione (π) il quale decade in ventisei miliardesimi di
secondo, come previsto, nel mesotrone scoperto da Anderson e
Nieddermayer che ha una massa di 205 masse elettroniche e
non ha interazioni nucleari, attualmente si chiama muone (μ),
decade in elettrone e neutrino in due milionesimi di secondo.
Questo muone è un grosso elettrone instabile e non si
comprende ancora perchè la natura lo ha creato.
    


8
vita media 2.6 10 sec
  e    e vita media 2.2 10 sec


6
In tempi diversi, Wilson, Anderson, Blackett e Powell furono insigniti con il premio 29
Nobel,
premio che inspiegabilmente non fu mai assegnato a Giuseppe Occhialini.
G.Rochester
Il 15 ottobre 1946, George Rochester e Cliffort Bulter
con una camera nebbia all’Università di Manchester
ossevarono delle tracce a V nel mezzo del rivelatore.
Le tracce delle V non erano elettroni ma particelle più
pesanti. Si è scoperto anni dopo, con gli acceleratori,
che queste V erano formate da protoni e pioni originate dal decadimento di particelle instabili neutre, i kaoni (K )
e le lamda (Λ), che contengono quark pesanti strani (s).
C.Bulter
Il K+
si
ferma
Il decadimento di
una neutra K o Λ
e uno
in una V
lento
che
interagisce
e decade
in 3 pioni
due veloci
Powell e Occhialini nel
1948 pubblicano una
30
foto con il decadimento
di un kaone in tre pioni.
Pietro Bassi che è stato professore a Padova e Bologna mi ha raccontato: che nei primi
anni ‘50 facendo esperimenti con contatori Geiger nel laboratorio della Marmolada, aveva
osservato che i muoni in movimento decadevano preferenzialmente nella direzione del
moto. Questo fenomeno violava chiaramente la parità è perciò sembrava inconcepibile.
Infatti fu scoraggiato a pubblicare dai fisici teorici di Padova. Nel 1956 Yang e Lee (fisici
Cino-Americani allievi di Fermi) formularono l’ipotesi della violazione della parità nelle
interazioni deboli e l’anomalia nel decadimento dei muoni rivista con gli acceletatori ne fu
una delle basi sperimantali. La violazione della parità, premio Nobel compreso, furono
una questione solo americana.
Nell’atmosfera, nelle cascate di raggi cosmici, si formano molti neutrini di tipo
mu, dal decadimento dei pioni in muoni. Questi neutrini possono attraversare
l’intero pianeta ed interagendo debolmente con i protoni formano muoni che
possono essere visti nei laboratori in profondità sotto la roccia. Si può calcolare
con precisione quanti muoni ci si aspetta sia quelli provenienti dall’alto formati da
neutrini che percorrono decine di km mentre quelli provenienti dal suolo percorrono più di 12.000km. Nel 2000 il laboratorio di Kamiokande (Giappone) ha annunciato un deficit di muoni provenienti dal basso. Questo esperimento è stato considerato la conferma delle oscillazioni fra le specie di neutrini proposta 60 anni
fa da Bruno Pontecorvo e poi legata al grande deficit di neutrini di tipo elettronico
provenienti dal sole, visti prima da Davis e confermati con grande evidenza dal
esperimento GALEX dei Laboratori del Gran Sasso del INFN. L’effetto annun31
ciato dai giapponesi era stato visto con minore evidenza dall’esperimento
MACRO sempre dei Laboratori del Gran Sasso del INFN.
Dagli anni ’60 sono stati introdotti molti
tipi divesi di rivelatori di radiazione molto
più sensibili, efficienti, e con risposte
rapide. Fra questi ci sono i contatori a
scintillazione. Sono costituiti materiali
plastici organici fatti di molecole con cicli
benzenici. Queste molecole eccitate dalla radiazione carica emettono luce ultravioletta. Con l’aggiunta di particolari sostanze, la luce viene spostata nel visibile
e rivelata da fotomoltiplicatori (fotocellule) che nel tempo di un miliardesimo di
secondo lo trasformano in segnale elettronico da immettere in circuiti elettronici
digitali per elaborare le informazioni.
In laboratorio riveleremo i
raggi cosmici con questo
tipo rivelatori a scintillazione
32
I RAGGI
COSMICI:
Dallo spazio
arrivano nuclei
dall’idrogeno
fino al ferro
anche con
energie
enormi.
Interagiscono
nuclermente con
i nuclei di
Azoto e
Ossigeno…
e producono
cascate
di pioni,
muoni,
elettroni,
gamma,
neutrini,
ecc,…..
Fe

33
Oltre a darci delle importanti
informazioni di Fisica i raggi
cosmici possono darci dei
messaggi sulle loro origine
cosmiche?
Non è così evidente perché
essendo carichi sono deviati
dai campi magnetici galattici e
quindi si perde la loro
direzione originale.
Sono in atto grandi esperimenti
per rilevare raggi cosmici di
enorme energia che sono
deviati in modo trascurabile
dai campi magnetici galattici.
34
Si cercano raggi cosmici
singoli con ernergiedell’ordine di 1020eV (100 miliardi di masse del protone).
Di tali raggi ce ne dovrebbero essere meno di
1/km2/secolo. Gli esperimenti coprono superfici
enormi, anche di 3000km2
come AUGER in
Argentina. I raggi cosmici
di così alta energia si rivelano integrando l’energia di
tutto lo sciame. C’è anche
la proposta d esperimenti
da satellite (EUSO) per rilevare la luce di scintillazione
degli atomi di Azoto dell’atmosfera eccita dagli sciami.
La storia dei raggi cosmici
35
non è certo finita!
AGASA (Giappone)
• 100 km2
scintillatori +
rivelatori di muoni
36
Esperimento per la rivelazioni
di sciami di raggi cosmici
ARGO dell’INFN
a Yangbjing in Tibet a 4500m di altitudine.
37
Laboratorio sotterraneo dell’INFN sotto al Gran Sasso
autostrada
sotto al
Gran Sasso
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Pierre Auger Project
3000
2
km coperti
Malargue
Mendoza
Argentina
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Pierre
PierreAuger
AugerProject
Project
3000 km2 - 1600 water tank array
40