Dove si studiano i raggi cosmici

Le tecniche per rivelare i raggi cosmici dipendono dalla loro energia. Come ricordato nella precedente sezioni, più l’energia è elevata meno abbondanti sono le particelle e più grandi devono essere i rivelatori. Questo significa che i raggi cosmici primari possono essere misurati direttamente nello spazio solo alle energie più basse. Per le energie più alte i più grandi rivelatori devono essere necessariamente posti al suolo e possono misurare solo i raggi cosmici secondari. Si tratta di collaborazioni internazionali cui l’INFN partecipa attivamente con grande successo. Di seguito verranno menzionati alcuni tra i più grandi e significativi esperimenti.

Nello spazio

Le particelle meno energetiche sono assorbite durante la loro propagazione nell’atmosfera terrestre. Per rivelarle pertanto si inviano sofisticati rivelatori in orbita fuori dell’atmosfera con palloni stratosferici, satelliti o sfruttando la Stazione Spaziale Internazionale. Queste misure sono dette “dirette” perché vengono rivelati direttamente i raggi cosmici primari.

Esperimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS)

Un esperimento che fa misure dirette fuori dall’atmosfera è AMS (https://ams02.space/), in orbita sulla Stazione Spaziale Internazionale. Uno degli obiettivi dell’esperimento è cercare l’antimateria primaria, ossia quella esistente nei raggi cosmici che arrivano dalle profondità dello spazio, che non va confusa con l’antimateria prodotta dalle interazioni secondarie con l’atmosfera. Un altro importante esempio è il rivelatore Fermi che studia principalmente i fotoni provenienti da sorgenti galattiche ed extra-galattiche.

Sulla Terra

All’aumentare della loro energia i raggi cosmici possono raggiungere la superficie terrestre ed essere rivelati con rivelatori posti sul suolo. In questo caso non si rivelano direttamente i raggi cosmici primari ma i prodotti della loro interazione con l’atmosfera, i “raggi cosmici secondari” che costituiscono gli Sciami Atmosferici Estesi. In questo caso le misure sono dette “indirette”. Nel corso degli anni ’90 del secolo scorso, a Campo Imperatore (2000 m slm), presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, era in funzione l’esperimento EAS-TOP, un importante esperimento per lo studio della radiazione cosmica.

Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN.

Dal 2000 al 2013 l’INFN ha costruito ed operato l’esperimento ARGO-YBJ in Tibet (4300 m slm), costituito da un ‘tappeto’ continuo di rivelatori del tipo Resistive Plate Chambers (RPCs), rivolto principalmente alla rivelazione di eventi prodotti da fotoni provenienti da sorgenti galattiche ed extra-galattiche.

Rilevatori di superficie dell’Osservatorio Pierre Auger in Argentina

Da 20 anni l’INFN partecipa all’esperimento Auger in Argentina, il più esteso esperimento per lo studio dei raggi cosmici mai costruito, con i suoi rivelatori distribuiti su un’area di circa 3000 km2. Lo scopo di questo esperimento è di studiare i raggi cosmici di più alta energia mai osservata.

Coprire aree ancora più grandi di quelle dell’osservatorio Auger, è molto difficile. Per ovviare a questo problema, si sta esplorando, nell’ambito della collaborazione JEM-EUSO, la possibilità di studiare gli sciami atmosferici estesi dall’alto. Questo potrebbe consentire di coprire un’area di circa 100000 km2, enormemente più grande di quella di Auger, e in più, con lo stesso strumento, potremmo studiare i raggi cosmici prodotti nel cielo sia dell’emisfero Sud che dell’emisfero Nord.

Sottoterra

Tra i raggi cosmici secondari, i muoni di più alta energia riescono ad attraversare grandi spessori di materia (roccia, ghiaccio o acqua) per essere studiati in dettaglio al riparo dalle altre componenti che sono invece assorbite.
I più grandi laboratori sotterranei al mondo sono i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Qui, schermati da circa 1000 metri di roccia sovrastante, differenti esperimenti studiano i raggi cosmici, i neutrini provenienti dal Sole o dalle esplosioni delle Supernovae e cercano anche le misteriose particelle che si ritiene compongano la materia oscura.
Sicuramente l’esperimento più complesso è IceCube, situato sotto 1500 metri di ghiaccio al Polo Sud, presso la base americana Amundsen-Scott. Questo esperimento cerca neutrini astrofisici di altissima energia provenienti dalle profondità del cosmo. Gli eventi recentemente osservati forniscono un fondamentale contributo alla soluzione del problema dell’origine dei raggi cosmici.

Esperimento IceCube al Polo Sud

A più di un secolo dalla loro scoperta ci sono ancora molti misteri sull’origine ed i meccanismi di accelerazione e propagazione dei raggi cosmici che, grazie alle elevate energie che possono raggiungere, continuano ad essere un importante campo di ricerca per esplorare non solo il mondo subatomico ma per capire l’evoluzione del nostro Universo.

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