Raggi cosmici

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I raggi cosmici sono una radiazione energetica proveniente dallo spazio esterno, alla quale è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti in passeggiata spaziale. La loro natura è molto varia (l'energia cinetica dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e , supernovae, fino ad oggetti remoti e ancora misteriosi come i quasar.

La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra vengono fermati dall'atmosfera, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica. Tali particelle possono arrivare fino alla superficie terrestre ed 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.

I raggi cosmici hanno aiutato lo sviluppo della fisica delle particelle: dallo studio di tale radiazione spaziale sono state scoperte particelle come il positrone o il muone, in un'epoca nella quale la tecnologia degli acceleratori non era sviluppata come lo è ora.

Nei casi in cui manchi lo schermo dell'atmosfera, come nei satelliti, i raggi cosmici pongono un problema notevole: l'elettronica 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.

Indice

1 Un po' di storia
2 I raggi cosmici primari
3 Caratteristiche dei raggi cosmici secondari
- 3.1 Raggi cosmici ultraenergetici
4 Voci correlate
5 Collegamenti esterni

[modifica] Un po' di storia

Dopo la scoperta della radioattività, dovuta nel 1896 ad Antoine Henri Becquerel, John McLennan e Ernest Rutherford notarono nel 1903 che un rivelatore completamente schermato non mostrava comunque un segnale nullo, deducendone l'esistenza di una radiazione altamente penetrante.

Per controllare l'ipotesi che tale radiazione provenisse dalla terra Albert Gockel effettuò nel 1910 misure fino all'altezza di 5 km. Il fisico austriaco Victor Franz Hess, che vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936 per le sue pionieristiche ricerche nel campo della radiazione cosmica, ed il fisico Wener Kolhorster effettuarono ulteriori misure negli anni a seguire (1911 - 1914) fino all'altezza di 9 km utilizzando palloni aerostatici.

Dopo Hess, fu Millikan, nel 1925, ad interessarsi a questa radiazione, e a lui si deve il nome di raggi cosmici: egli riteneva che fossero composti principalmente da raggi gamma. Compton ipotizzò, al contrario, che fossero composti da particelle cariche: successive misurazioni dimostrarono la validità di questa seconda ipotesi. La distribuzione delle radiazione, infatti, variava con la latitudine magnetica, come ci si attende per le particelle cariche sotto l'influenza del campo geomagnetico terrestre.

Nel 1930 il fisico italiano Bruno Rossi notò che, se la carica delle particelle era positiva, esse dovevano provenire in maniera preferenziale da est: toccò a Thomson dimostrare sperimentalmente la giustezza dell'intuizione dell' italiano.

[modifica] I raggi cosmici primari

Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni; tuttavia anche elettroni, particelle α ed altri nuclei leggeri, 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.

La composizione e lo spettro in energia sono stati dettagliatamente studiati per la radiazione cosmica primaria.

Nucleo di elemento o particella

Flusso relativo ad H (protoni)

1

He	$5 \cdot {10}^{-2}$

Elementi leggeri (Li, Be, B)

$7 \cdot {10}^{-4}$

Altri elementi (da C a Ne)

$5 \cdot {10}^{-3}$

Lo spettro (numero di raggi incidenti per unità di energia, per unità di tempo, per unità di superficie per steradiante) dei raggi cosmici primari è ben descritto da una legge a potenza nella forma
$\phi \propto E^{-\alpha}$
con $α = 2.7$ per valori dell'energia inferiori a $\approx {10}^{15} eV$ . Per valori superiori dell'energia si ha un irripidimento, con $α$ che diviene pari a 3. Il punto in cui tale cambio di pendenza ha luogo viene denominato ginocchio. Per enegie ancora più alte ( $\approx {10}^{18} \div {10}^{19} eV$ ) lo spettro dei raggi cosmici torna ad essere meno ripido, dando luogo ad un ulteriore cambio di pendenza che viene chiamato caviglia.

[modifica] Caratteristiche dei raggi cosmici secondari

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.

Il flusso medio delle particelle che compongono la radiazione, vale a dire il numero di particelle che nell'unità di tempo, nell'unità di angolo solido e nell'unità di superficie raggiungono il livello del mare, è stimato

$100 \times \frac {particelle}{(metro)^2 \cdot secondo \cdot sterad}$

È noto poi che i raggi cosmici hanno una distribuzione angolare rispetto alla normale alla superficie della Terra descrivibile da una funzione

$f( \theta ) = k \cdot cos^2 \theta$

Le particelle che compongono la radiazione sono molto energetiche. Si stima che il flusso medio a livello del mare abbia un'energia media di 2 GeV.

Il leptone μ è una particella elementare a spin 1/2, massa $105,658389 \plusmn 0,000034$ MeV (circa duecento volte la massa dell'elettrone), e vita media $\tau _{\mu} = 2,19703 \plusmn 0,00004 \mu s$ .

Esiste in due stati di carica (positiva e negativa) e sperimenta, come tutti i leptoni, 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:

$\pi^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_\mu$

$\pi^- \rightarrow \mu^- + \bar {\nu}_\mu$

Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno della dilatazione temporale riescono a giungere al livello del mare, dove si osserva che i μ⁺ sono circa il 20% in più dei μ^-.

Se si fanno incidere dei μ su un assorbitore sufficientemente spesso, essi, per effetto delle interazioni elettromagnetiche con gli elettroni del mezzo, subiscono un processo di frenamento sino alla termalizzazione.

I μ⁺ decadono spontaneamente secondo la reazione

$\mu^+ \rightarrow e^+ + \nu_e + \bar {\nu}_\mu$

I μ^-, invece, andranno a formare un atomo muonico. Se l'atomo è sufficientemente pesante il muone potrebbe cambiarne la natura, facendo diminuire il suo numero atomico. Se il numero atomico del materiale è piccolo anche per il μ^- il processo più probabile è il decadimento secondo la reazione

$\mu^- \rightarrow e^- + \bar {\nu}_e + \nu_\mu$

[modifica] Raggi cosmici ultraenergetici

Uno dei misteri più oscuri della cosmologia moderna sono i raggi cosmici con energie dell'ordine di $1020 e V$ , ossia la quantità di energia in elettronvolt di una palla da baseball colpita da un professionista del fuoricampo (oltre 150 km/h) concentrata in una sola particella, solitamente un protone. Per contro, la massa a riposo del protone è circa $109 e V$ . Queste particelle hanno una velocità meno di una parte su $105$ 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. Tuttavia, non si conosce alcun oggetto in grado di generare queste particelle con una tale energia all'interno di questo limite.

Nel 2002, alcuni recercatori del progetto Beyond Einstein della NASA hanno proposto una spiegazione che sembra gettare un barlume nel mistero: raggi cosmici di queste intensità potrebbero essere prodotti nei resti dei quasar, buchi neri dell'ordine di 100 milioni di masse solari, che se fossero in rotazione, genererebbero un campo magnetico in grado di scagliare particelle subatomiche verso di noi a velocità prossime a quelle della luce.

Data l'elevatissima energia di questi fenomeni, è stato proposto da alcuni fisici di impiegarli in esperimenti su dei satelliti appositi, al posto degli acceleratori di particelle, per lo studio delle particelle di energia elevatissima: per ottenere risultati paragonabili, con energie milioni di volte superiori a quelle dei maggiori acceleratori esistenti, si richiederebbero congegni grandi più o meno come il sistema solare. Ironia della sorte, si ritornerebbe ad usare i raggi cosmici dopo che proprio dal loro studio si erano elaborati i primi rudimenti della fisica delle particelle.

[modifica] Voci correlate

Spallazione nucleare

[modifica] Collegamenti esterni

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