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<\/p>\nI raggi cosmici nello spazio sono particelle elettricamente cariche costituite principalmente da protoni (circa per il 90%), nuclei di elio (circa 9%) e il rimanente 1% da tutti gli altri nuclei atomici della tavola periodica, elettroni e le rispettive anti-particelle. Le sorgenti dei raggi cosmici possono essere sia galattiche sia extra-galattiche.<\/p>\n
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La figura mostra il cosiddetto \u201cspettro dei raggi cosmici\u201d, cio\u00e8 il numero di particelle che colpisce l\u2019atmosfera terrestre in funzione della loro energia. Sull\u2019asse verticale \u00e8 indicata la quantit\u00e0 o flusso di particelle (il numero di particelle per m2<\/sup>\u00a0secondo, steradiante ed energia in GeV) mentre sull\u2019asse orizzontale \u00e8 riportata l\u2019energia misurata in elettronvolt (eV). Questo \u00e8 il cosiddetto spettro \u201call particle\u201d: ottenuto sommando tutti i raggi cosmici senza separarli in composizione, cio\u00e8 per tipologia. Da questo grafico si possono notare le seguenti cose:<\/p>\n Un viaggio spaziale<\/strong><\/p>\n Una volta che queste particelle vengono accelerate, indipendentemente dal tipo di sorgente, esse propagano (si muovono) nello spazio all\u2019interno del mezzo intergalattico (tra le galassie), interstellare (tra le stelle) e interplanetario (tra i pianeti) prima di raggiungere la Terra. In questo lungo viaggio, le particelle interagiscono con: altre particelle, campi magnetici e campi di radiazione elettromagnetica. A seconda del tipo di particella in gioco, l\u2019effetto di questi fenomeni pu\u00f2 cambiare l\u2019energia del raggio cosmico, modificarne la traiettoria, provocarne la scomparsa o la creazione di altre particelle. Avvicinandosi alla superficie terrestre<\/strong><\/p>\n Il numero di raggi cosmici che si pu\u00f2 misurare Nrc<\/sub>\u00a0\u00e8 dato dalla seguente semplice relazione Nrc<\/sub>\u00a0= \u03a6rc<\/sub>\u00a0x A x T, dove \u03a6rc<\/sub>\u00a0\u00e8 il flusso di particelle che giungono a ridosso dell\u2019atmosfera terrestre, A \u00e8 l\u2019area del rivelatore e T \u00e8 il tempo di misura. Naturalmente non possiamo modificare il flusso \u03a6rc<\/sub>\u00a0dato dalla natura ma possiamo costruire rivelatori di grande area A e farli funzionare per lungo tempo T (almeno 5 anni) per registrare un gran numero di eventi importante per condurre studi approfonditi.<\/p>\n Le misure possono essere fatte in due modi molto differenti: (1)\u00a0direttamente<\/em>, cio\u00e8 mandando i rivelatori fuori dall\u2019atmosfera terrestre (o nei primissimi strati di essa) per rivelare i raggi cosmici direttamente, cio\u00e8 prima che interagiscano con i nuclei dell\u2019atmosfera e quindi si trasformino in complessi sciami estesi. Per fare questo i rivelatori vengono messi su palloni, satelliti o sulla ISS. Come \u00e8 facile capire i rivelatori che possono essere mandati in orbita devono essere leggeri, quindi piccoli.\u00a0 L\u2019area tipica \u00e8 il metro quadrato; (2) indirettamente,<\/em>\u00a0disponendo appositi rivelatori sul suolo terrestre. In questo caso si misurano i prodotti secondari dell\u2019interazione della particella primaria con i nuclei dell\u2019atmosfera. Si osservano cio\u00e8 le componenti (particelle e radiazione) degli sciami atmosferici estesi. In questo caso la misura \u00e8 pi\u00f9 complessa, non osservandosi direttamente il raggio cosmico primario, ma il vantaggio principale \u00e8 che possono essere costruiti rivelatori enormi per misurare il flusso anche ad energie elevate, quando il numero di raggi cosmici che raggiunge la Terra \u00e8 bassissimo.<\/p>\n Ecco allora che per energie superiori a circa 100 TeV \u00e8 inevitabile ricorrere a misure indirette al suolo e costruire grandi apparati per rivelare un numero di particelle statisticamente sufficiente a fare studi approfonditi.<\/p>\n A 1019<\/sup>\u00a0eV, ad esempio, dovremmo portare fuori dall\u2019atmosfera un rivelatore con un\u2019area maggiore di Villa Borghese (0.8 km2<\/sup>), uno dei parchi pubblici pi\u00f9 grandi di Roma, per raccogliere 1 particella in un anno. Questi apparati al suolo rivelano i cosiddetti \u201cSciami Atmosferici Estesi\u201d.<\/p>\n Vediamo allora di cosa si tratta e cosa succede quando un raggio cosmico entra nell\u2019atmosfera terrestre dopo aver vagabondato per miliardi di anni nell\u2019Universo. Quando un raggio cosmico primario, ad esempio un protone, entra nell\u2019atmosfera terrestre subisce una interazione nucleare con i nuclei di aria. Questa interazione \u00e8 simile a quelle che avvengono nei pi\u00f9 potenti acceleratori di particelle costruiti dall\u2019uomo, come LHC al CERN. La principale differenza \u00e8 che con i raggi cosmici si possono avere interazioni ad energie cosi\u2019 elevate che mai si riusciranno a replicare nei nostri laboratori.<\/p>\n Il risultato di questi urti \u00e8 la produzione di un gran numero di mesoni, principalmente pioni ma anche kaoni, seppure in misura molto minore. Queste particelle emergono equamente suddivise in 3 diverse diverse cariche (positiva, negativa e neutra).<\/p>\n Il primario non viene distrutto in questa interazione ma continua a muoversi verso il suolo, anche se con energia ridotta\u00a0di circa il 50%, e subisce nuove\u00a0successive\u00a0analoghe interazioni.<\/p>\n I mesoni invece possono decadere o interagire anche essi con un nucleo di aria.\u00a0Le particelle\u00a0elettromagnetiche (elettroni, positroni e fotoni)\u00a0ed\u00a0i\u00a0muoni\u00a0sono prodotti essenzialmente nel decadimento dei pioni.\u00a0I pioni neutri decadono immediatamente in due fotoni e producono\u00a0dei\u00a0 sotto-sciami puramente elettromagnetici, quelli carichi sono\u00a0invece\u00a0i responsabili della produzione\u00a0dei muoni.<\/p>\n Tutte queste particelle formano un \u201cfascio\u201d di particelle,\u00a0noto anche con il nome di\u00a0\u201ccore\u201d<\/em>\u00a0dello sciame, con una dimensione di pochi metri. Man mano che le particelle cariche si propagano verso il suolo, esse subiscono tante piccole deflessioni in seguito alle interazioni con i campi elettrici dei nuclei di aria. L\u2019effetto cumulativo \u00e8 di farle sparpagliare lateralmente in modo da non essere pi\u00f9 contenute solo all\u2019interno del core che resta pero\u2019 la zona con la pi\u00f9 alta densit\u00e0 di particelle.<\/p>\n L\u2019insieme di questi complessi processi moltiplicativi genera i cosiddetti \u201cSciami Atmosferici Estesi\u201d(EAS,\u00a0<\/em>Extensive\u00a0<\/em>Air\u00a0<\/em>Showers<\/em>), una pioggia di particelle (i cosiddetti\u00a0raggi cosmici secondar<\/em>i) che arriva al suolo contenuta in un disco con uno spessore di pochi metri.<\/p>\n Uno sciame \u00e8 composto da 3 componenti:<\/p>\n Pur essendo la componente meno numerosa, gli adroni sono particelle estremamente importanti rappresentando lo scheletro di uno sciame esteso perch\u00e8 sono essi a rifornire di energia, dopo le interazioni, le componenti elettromagnetica e muonica. Il punto importante \u00e8 che il rapporto tra le differenti componenti secondarie dipende dal rapporto tra interazione e decadimento delle particelle durante la loro propagazione nell\u2019atmosfera.<\/p>\n Dal punto di vista sperimentale la componente secondaria carica dei raggi cosmici viene generalmente separata in:<\/p>\n Storicamente, la suddivisione tra componenti soft e dura era fatta in base alla capacit\u00e0 delle particelle di attraversare 10 cm di piombo. Questa suddivisione \u00e8 utile perch\u00e8 le tecniche sperimentali, quindi i rivelatori, per la loro misura sono ben differenti. Ad esempio, la rivelazione della componente penetrante pu\u00f2 essere effettuata solo con rivelatori posti dentro un laboratorio sotterraneo come quello del Gran Sasso, schermato da circa 1000 m di roccia, necessaria ad assorbire tutte le altre componenti e selezionare particelle con energie superiori al TeV.<\/p>\n Gli sciami\u00a0estesi non contengono solo particelle ma anche radiazione, come luce\u00a0Cherenkov, radiazione di fluorescenza ed onde radio di alta frequenza (MHz).\u00a0Radiazione che viene studiata con sofisticati telescopi.<\/p>\n Ricordiamo qui soltanto che i telescopi Cherenkov sono una delle tecniche sperimentali pi\u00f9 efficaci per l\u2019osservazione di sorgenti di fotoni cosmici al suolo (nella cosiddetta Astronomia Gamma) e che i telescopi per luce di fluorescenza sono uno dei principali rivelatori\u00a0dell\u2019osservatorio Pierre Auger<\/a>.<\/p>\n Gli sciami atmosferici furono scoperti per caso, grazie alla diffusa applicazione nello studio dei raggi cosmici di contatori in coincidenza. Questi venivano posti generalmente in configurazione telescopica, cio\u00e8 allineati lungo un asse passante per il loro centro. E solo in questo caso si osservavano coincidenze, cio\u00e8 2 o pi\u00f9\u00a0 di essi, contemporaneamente, davano il segnale del passaggio di una particella.<\/p>\n Ma prima di costruire il telescopio, i rivelatori venivano provati disponendoli separatamente su di un piano orizzontale. Nessuno si sarebbe aspettato di registrare un segnale di coincidenza tra essi perch\u00e8 una stessa particella non poteva attraversarli tutti. Eppure in molti notarono che il numero di coincidenze tra essi era troppo grande per essere attribuito completamente al caso.<\/p>\n Fu Bruno Rossi nel 1934 il primo a suggerire che si potesse essere difronte ad un nuovo fenomeno\u00a0fisico. Egli infatti scrisse in un\u00a0articolo: \u201cSembrerebbe che di quando in quando arrivino sugli strumenti gruppi di particelle molto estesi<\/em>\u00a0<\/em>in grado di produrre coincidenze anche tra rivelatori piuttosto distanti tra loro\u201d<\/em>. Fu la prima\u00a0evidenza dell\u2019esistenza degli sciami atmosferici\u00a0estesi!<\/p>\n Rossi fu il primo ad intuire\u00a0che i raggi cosmici potessero produrre anche in atmosfera quei processi moltiplicativi osservati nei materiali\u00a0densi come il piombo.<\/p>\n Diversi gruppi indipendentemente cercarono di spiegare il fenomeno, in particolare ricordiamo nel 1938 Bothe, Kolhorster e Schmeiser, misurando la cosiddetta\u00a0curva di<\/em>\u00a0<\/em>decoerenza<\/em>, cio\u00e8 il numero di coincidenze in funzione della distanza tra i rivelatori.<\/p>\n Nello stesso periodo, Auger e Maze, sfruttando un circuito di coincidenza con un tempo di risoluzione molto inferiore, intrapresero una campagna di studi sistematici delle caratteristiche di questi sciami riuscendo a misurare coincidenze tra rivelatori distanti anche 300 m!<\/p>\n E risultato probabilmente ancora pi\u00f9 importante, stimarono che l\u2019energia del primario all\u2019origine di questi eventi fosse di circa 1015<\/sup>\u00a0<\/sup>eV! Era nato lo studio degli\u00a0Sciami Atmosferici Estesi di altissima energia.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" I raggi cosmici nello spazio sono particelle elettricamente cariche costituite principalmente da protoni (circa per il 90%), nuclei di elio (circa 9%) e il rimanente 1% da tutti gli altri nuclei atomici della tavola periodica, elettroni e le rispettive anti-particelle. Le sorgenti dei raggi cosmici possono essere sia galattiche sia extra-galattiche. La figura mostra… Read more »<\/a> […]<\/p>\n\n
\nEcco perch\u00e9 studiare i raggi cosmici \u00e8 importante per conoscere l\u2019ambiente che ci circonda. In base a quanti e quali particelle arrivano in prossimit\u00e0 del nostro pianeta possiamo avere informazioni su chi li ha prodotti e come hanno fatto ad arrivare fino alla Terra. Informazioni sul mezzo attraversato ci permettono di studiare anche il nostro Sole, il campo magnetico terrestre ecc. Quindi, i raggi cosmici portano, con loro, una grandissima quantit\u00e0 di informazioni che aiuteranno a conoscere lo spazio, al di l\u00e0 del sottile strato di atmosfera, anche in previsione dei futuri viaggi spaziali.
\nI raggi cosmici di energia inferiore a qualche decina di GeV sono soggetti all\u2019attivit\u00e0 solare e, a pi\u00f9 bassa energia sono in parte prodotti nei brillamenti solari (flares), cio\u00e8 nelle potenti eruzioni di materia che avvengono sulla superficie del Sole. Lo studio della radiazione emessa da questi fenomeni \u00e8 molto importante perch\u00e9 pu\u00f2 rappresentare un pericolo per le missioni spaziali e pu\u00f2 interferire pesantemente con le comunicazioni radio sulla Terra. Le particelle energetiche emesse in queste esplosioni sono le prime responsabili dello spettacolare fenomeno delle aurore polari.<\/p>\n\n
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