Il mistero dei raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle provenienti dal Cosmo che bombardano continuamente la Terra, con energie fortissime. Quali sono questi acceleratori così potenti? Rispose Fermi nel 1949. Gli acceleratori cosmici usano l’energia gravitazionale. Quando una stella di massa abbastanza grande ha bruciato tutto il suo combustibile nucleare, collassa improvvisamente e violentemente sotto il suo stesso peso. Gli strati esterni, che vengono espulsi, contengono campi magnetici turbolenti che, espandendosi, incontrano nuclei e protoni, trasferendo loro una parte della loro enorme energia.

L’aria è radioattiva

Nei primi anni del XX secolo fu osservata la presenza di radioattività nell’aria usando elettroscopi. L’elettroscopio è una cella chiusa, con una finestra di vetro, che contiene due foglioline metalliche (d’oro). Se si carica elettricamente lo strumento le foglioline si separano per via della comparsa di cariche di segno uguale che si respingono. Quando l’aria all’interno della cella viene ionizzata da qualche agente che vi penetra, l’elettroscopio si scarica tanto più velocemente quanto maggiore è la radiazione.

Si pensava inizialmente che la radioattività dell’aria fosse dovuta a nuclei di elementi radioattivi nel terreno. Negli anni 1910-11 il fisico e meteorologo italiano Domenico Pacini misurò la radioattività dell’aria sulla superficie del mare, lontano dalla costa, e anche 3 metri sott’acqua. Era ancora notevole, c’era quindi una sorgente di radiazione diversa dai nuclei nel terreno. Pacini per le sue misure in mare utilizzò il cacciatorpediniere Fulmine della Regia Marina Militare.

Chi accelera i raggi cosmici?

I raggi cosmici sono in maggioranza particelle cariche, protoni per circa il 90%, nuclei per il 9% ed elettroni per l’1%. Ci sono anche raggi gamma (fotoni di alta energia), che sono pochi, circa l’1%.

I raggi gamma sono per noi importanti perché vengono dritti dalla loro sorgente, dandoci la possibilità di identificarla, a differenza delle particelle cariche che sono deflesse dai campi magnetici presenti nel cosmo. Le energie dei raggi cosmici sono molto maggiori di quelle della radioattività naturale che ci circonda.

Lo spettro di energia dei raggi cosmici si estende su più di 32 ordini di grandezza, superando l’energia dei più potenti acceleratori costruiti dall’uomo. Il loro flusso diminuisce al crescere dell’energia, riducendosi di circa otto volte per ogni raddoppio dell’energia.

Quali meccanismi li accelerano a così alte energie?

Spettro energetico dei raggi cosmici: compilazione delle misure esistenti (Walter Hanlton, University of Utah)

Il meccanismo di accelerazione di Fermi

Fermi propone che i raggi cosmici non originino dal Sole ma dagli spazi interstellari. In queste zone dell’Universo infatti esistono “nuvole” nelle quali si addensano particelle cariche che generano campi magnetici irregolari. Le nuvole magnetiche hanno diametri di anni-luce (1 anno-luce è circa pari a 9 461 miliardi di km o a 63 241 volte la distanza tra la Terra e il Sole) e si muovono con velocità simili a quella della Terra attorno al Sole. Una particella carica, ad esempio un protone, che “collida” con una di queste nuvole, può rimbalzare all’indietro, respinta dal campo magnetico.

Un’analogia è una palla da tennis che urti il parabrezza di un’auto. Se l’auto è ferma l’energia della palla (del protone) dopo e prima dell’urto è la stessa, ma se l’auto si muove verso la palla questa rimbalzerà con energia maggiore. Viceversa, se la palla raggiunge da dietro l’auto in corsa, ne colpisce il lunotto posteriore e rimbalza con energia minore. Ma il secondo processo è meno probabile del primo.

Meccanismo di Fermi del prim’ordine

L’accelerazione di protoni, e altri nuclei, per collisioni multiple su nuvole magnetiche si chiama oggi “meccanismo di Fermi del second’ordine”. Sappiamo che questo meccanismo, pur essendo presente, non è dominante. Quello dominante, almeno ad energie non altissime, è il “meccanismo di Fermi del prim’ordine”.

Fu sviluppato nel 1977 da G.F. Krymsky in URSS e W.I. Axford negli Usa.

L’accelerazione avviene per urto con un singolo oggetto, molto più potente. Dopo l’esplosione di una stella in supernova, rimane un “guscio” contenente particelle cariche e campi magnetici, che si espande velocemente: il resto di supernova si chiama in inglese “Supernova Remnant” (SNR). La superficie di un resto di supernova è un fronte d’urto approssimativamente sferico che si espande ad alta velocità.

I protoni vengono accelerati tramite una serie di collisioni successive con il fronte, che incontrano ripetutamente nel loro moto casuale nei campi magnetici presenti. Il meccanismo del prim’ordine è capace di accelerare tanto che le loro collisioni avvengono a energie cento volte maggiori di quelle dei fasci del Large Hadron Collider (LHC).

Fermi prova Fermi

Fermi LAT (Large Area Telescope), o per gli addetti semplicemente Fermi, è un satellite NASA che contiene una complessa strumentazione progettata e costruita da gruppi di ricerca di Francia, Germania, Giappone, Italia, Svezia, USA. Sono state unite le competenze di fisici delle particelle e di astrofisici.

Fermi è stato lanciato il 01.06.2008 e continua a prendere dati.

L’osservazione diretta dei protoni non può indicarci la loro sorgente perché, essendo elettricamente carichi, sono deflessi dai campi magnetici galattici lungo la strada e quindi non puntano alla sorgente. Si deve ricorrere ad un’osservazione indiretta. I protoni accelerati incontrano il materiale del resto di supernova (SNR) e producono, tra l’altro, mesoni π (pioni) elettricamente neutri, che subito decadono in due fotoni. Questi ultimi sì viaggiano in linea retta.

Problema: anche gli elettroni presenti nel SNR possono dare origine a fotoni. Solo l’accurata misura dello spettro energetico dei fotoni permette di distinguere i due casi. Fermi LAT l’ha fatto puntando a due noti SNR, chiamati IC 443 e W44, riscontrandone le caratteristiche previste nel caso del decadimento del pione.

Spettri energetici dei raggi gamma da due noti SNR

Sciami aerei

Una particella cosmica penetrando nell’atmosfera prima o poi ne urta un nucleo, producendo particelle secondarie. Queste a loro volta urtano e producono altre particelle. E così di seguito sino ad avere una cascata di milioni o miliardi di particelle.

Il fenomeno fu scoperto nel 1934 da Bruno Rossi, utilizzando il circuito elettronico di coincidenza da lui stesso inventato.
Egli osservò eventi di raggi cosmici con rivelatori distanti uno dall’altro. In alcuni casi i rivelatori segnalavano eventi contemporanei (“in coincidenza”): erano dovuti alla stessa interazione primaria. Importanti contributi furono dati nel 1938 da due gruppi tedeschi: Schmeiser e Bothe, che chiamarono “Luftschauer” (sciame aereo) il fenomeno, e Kolhörster e collaboratori.

Nel 1939 Auger, Maze e Robley al Jungfraujoch nelle Alpi Svizzere osservarono coincidenze sino a separazioni di 300 m tra i rivelatori: gli sciami estesi. Ad Auger è dedicato il più grande osservatorio esistente di raggi cosmici. I rivelatori (1600 in totale) sono taniche d’acqua nelle quali le particelle cariche emettono luce per “effetto Cherenkov”. Particolari rivelatori di luce, detti fotomoltiplicatori la trasformano in un impulso elettrico.

 

Rivelatore di superficie (SD) dell’Osservatorio Pierre Auger

La frontiera delle energie estreme

Un milione di protoni o nuclei provenienti dal cosmo con energia simile a quella di una palla da tennis servita da un campione, ma concentrata entro un diametro cento miliardi di volte minore, colpiscono la Terra ogni anno.

L’ Osservatorio Pierre Auger è stato costruito nei pressi di Malargüe (Mendoza) nella “pampa amarilla (gialla)” Argentina per studiare i messaggi che ci portano questi raggi cosmici. I suoi 1600 rivelatori sono distribuiti su di un’area di 3000 Km2. L’area è circondata da un insieme di 24 telescopi che rivelano, di notte, la debole luce di fluorescenza prodotta dallo sciame cosmico eccitando l’azoto atmosferico. La grande infrastruttura scientifica è stata realizzata tra il 2000 e il 2008 da ricercatori di 17 Paesi, con notevole contributo italiano dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. L’Osservatorio Pierre Auger ha aperto una nuova finestra nell’esplorazione dell’universo, studiando le particelle della massima energia esistente. Ad energie così alte la costituzione, la provenienza – dal di fuori della Galassia – e le sorgenti dei raggi cosmici sono ancora ignote. Auger sta lentamente raccogliendo e studiando dati preziosi su queste rare particelle per cercare di svelarne gli enigmi.

Mappa dell’Osservatorio Pierre Auger. Sono visibili i rivelatori di superficie costituiti dalle taniche e le 4 stazioni contenenti i telescopi.

 

Il Progetto EEE (Extreme Energy Events) – La Scienza nelle Scuole

Il progetto EEE consiste in una speciale attività di ricerca sull’origine dei raggi cosmici, condotta dal Centro Fermi in collaborazione con il CERN (European Organization for Nuclear Research), l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e il MIUR (Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca). Il Progetto si basa sul contributo determinante di studenti e docenti degli istituti scolastici superiori.

In ciascuna delle scuole aderenti al Progetto viene costruito un “telescopio” fatto con i più moderni e avanzati rivelatori di particelle (Multigap Resistive Plate Chambers, MRPC), da mettere in coincidenza tramite strumentazione GPS con i telescopi di altre scuole allo scopo di rivelare i muoni cosmici e gli sciami estesi, grandi anche quanto intere cittadine o più, prodotti dai raggi cosmici primari di altissima energia.

Ai ragazzi viene dato, inoltre, l’importantissimo compito della costruzione degli stessi rivelatori a partire da elementi di base, affinché si rendano conto di come si possa passare da materiali poveri a strumenti di altissima precisione. La costruzione dei rivelatori avviene nei laboratori del CERN, nei luoghi più esclusivi della ricerca più avanzata, che vengono resi a tale scopo accessibili ai ragazzi.

Distribuzione delle stazioni del Progetto EEE