I raggi cosmici, che come una misteriosa pioggia proveniente dallo spazio investono la Terra, furono la prima fonte di particelle elementari ad essere studiata. Essi permisero di ricavare informazioni sulla natura del mondo sub-atomico prima che gli acceleratori di particelle fossero inventati. L’origine dei raggi cosmici è ancora incerta, anche se si ritiene che gran parte di essi siano prodotti nelle esplosioni di supernovae, eventi in grado di accelerare particelle ad altissime energie e diffonderle in tutte le direzioni nello spazio.
I raggi cosmici che colpiscono lo strato esterno dell’atmosfera sono detti “raggi cosmici primari” e sono principalmente protoni di alta energia. Nel loro rapido viaggio verso la superficie terrestre, essi collidono con gli atomi dei gas atmosferici, creando, attraverso uno spettacolare processo moltiplicativo, cascate di nuove particelle ed antiparticelle che costituiscono i “raggi cosmici secondari”. Questo fenomeno è all’origine dei cosiddetti Sciami Atmosferici Estesi, una pioggia cosmica che investe la Terra.
Lo studio dei raggi cosmici, a partire dagli anni ’30 del secolo scorso ha permesso la scoperta di numerose particelle, alcune delle quali previste dalla teoria come il positrone, la prima particella di antimateria, e altre completamente nuove come il pione e il muone, una particella fondamentale, ossia priva di struttura interna, simile all’elettrone ma instabile.
Si pensò dunque di ricreare i raggi cosmici in laboratorio. Nacquero così gli acceleratori di particelle, macchine in grado di trasformare l’energia di fasci di particelle accelerate e fatte collidere, in nuove particelle.
Ancora oggi, nonostante l’ampio utilizzo degli acceleratori di particelle, lo studio dei raggi cosmici è molto importante perché le energie raggiunte da queste particelle sono così elevate che mai riusciremo a raggiungerle con gli acceleratori che siamo in grado di costruire.
Inoltre i raggi cosmici consentono studi di fisica delle particelle elementari complementari a quelle possibili nei grandi laboratori come il CERN.
Si pensi ad esempio, che il premio Nobel del 2015 è stato assegnato agli studi di fisica delle particelle per la dimostrazione che i neutrini hanno massa. Dimostrazione ottenuta studiando i neutrini atmosferici, importante componente dei “raggi cosmici secondari”.
