Raggi cosmici
Dal 1910 č noto che la Terra č perennemente esposta ad una radiazione naturale proveniente dal cosmo, detta appunto radiazione cosmica o raggi cosmici.
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2 La fisica dei raggi cosmici |
La loro importanza, nello studio e nella comprensione della natura, č fondamentale. Infatti č proprio dallo studio di tale radiazione spaziale che si č potutto scoprire particelle come il positrone o il muone.
Le prime osservazioni, che come detto risalgono al 1910, sono dovute al fisico austriaco Victor Franz Hess, che per tale scoperta vinse il Nobel per la fisica nel 1946.
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, come ci si attende per le particelle cariche sotto l'influenza del campo elettromagnetico terreste.
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.
Al di lĂ dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni; tuttavia anche elettroni, particelle α;, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria 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.
La radiazione secondaria al livello del mare č 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, č 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'unitĂ di tempo, nell'unitĂ di angolo solido e nell'unitĂ di superficie raggiungono il livello del mare, č stimato
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 e che lo spettro differenziale vada come .
Il leptone μ; č una particella elementare a spin 1/2, massa MeV (circa duecento volte la massa dell'elettrone), e vita media .
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:
Un pò di storia
La fisica dei raggi cosmici
È noto poi che i raggi cosmici hanno una distribuzione angolare rispetto alla normale alla superficie della Terra descrivibile da una funzione
Alla produzione essi sono caratterizzati da velocitĂ 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 piů dei μ-.
Se si fa 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.
Si dimostra che, se l'assorbitore usato č denso, con numero atomico Z superiore a 11, i μ- sono in prevalenza catturati dai nuclei atomici con emissione di neutrini:
Raggi cosmici ultraenergetici
Uno dei misteri piů oscuri della cosmologia moderna sono i raggi cosmici con energie dell'ordine di , ossia la quantitĂ di energia di una palla da baseball colpita da un professionista del fuoricampo concentrata in una sola particella, solitamente un protone. Per contro, la massa a riposo del protone č circa . Queste particelle hanno una velocitĂ meno di una parte su inferiore alla velocitĂ della luce, e a causa dell'assorbimento dovuto al fondo di microonde che le frenerebbe, 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 in questo articolo in inglese una spiegazione, che sembra gettare un barlume nel mistero: raggi cosmici di queste intensitĂ 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 velocitĂ prossime a quelle della luce.
Link esterni
- Esperimenti del corso di Fisica delle Particelle Elementari
- Raggi cosmici su Zooming-in
- Resti di quasar
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