I raggi cosmici attraverso il piombo

Bothe e Kohlhörster avevano dimostrano che una grande frazione (76%) delle particelle dei raggi cosmici trovate a livello del mare poteva attraversare 4 cm d'oro (₇₉Au). 

Il giovane Bruno Rossi, che dopo la laurea nel 1927 era assistente a Firenze, è profondamente colpito dalla lettura dell'articolo di Bothe e Kohlhörster. Si mette subito al lavoro perfezionando la tecnica di coincidenza e costruendo circuiti che consentivano di collegare rivelatori posti anche a grandi distanze.

Rossi si domanda se alcuni raggi cosmici giunti a livello del mare abbiano energie sufficienti per penetrare spessori anche maggiori rispetto a quelli utilizzati da Bothe e Kohlhörster. Ripete cosi esperimenti in coincidenza utilizzando spessori di piombo fino ad un metro.

Nei suoi esperimenti utilizza 3 contatori disposti come in figura qui a fianco: il numero dei mattoni di piombo posti tra due contatori poteva essere variato fino a raggiungere uno spessore assorbente spesso fino ad un metro. Come si può notare Rossi utilizza tre contatori in coincidenza e non due. Questo per ridurre i casi di coincidenze casuali, coincidenze cioè causate da particelle diverse attraversanti i contatori quasi simultaneamente.

 Infatti per due contatori lontani più di un metro il numero di coincidenze casuali sarebbe stato superiore al numero di coincidenze vere risultanti dal passaggio di singole particelle passanti attraverso i due contatori. 

Rossi mette a punto l'idea e sviluppa l'elettronica adeguata per realizzare queste misure. Il circuito realizzato da Rossi permetteva la registrazione automatica delle coincidenze tra i diversi contatori: è l'inizio dell'utilizzo dell'elettronica in fisica nucleare e subnucleare.

Con il nuovo circuito, che sarà largamente utilizzato anche negli anni seguenti nell'ambito della fisica dei raggi cosmici, Rossi trova un risultato sorprendente: Il 60% delle particelle dei raggi cosmici potevano attraversare anche un metro di₈₂Pb! Se si considera che i raggibda radioattività naturale hanno un range massimo nel Pb di qualche frazione di mm ci si può immaginare la sorpresa di Rossi a questi risultati.

Le particelle dei raggi cosmici dunque, qualunque fosse la loro natura, dovevano avere quindi energie superiori di parecchi ordini di grandezza a quelle dei raggib. Queste misure dimostravano inoltre , in modo incontrovertibile, che i raggi cosmici non potevano essere raggigma dovevano essere proprio particelle cariche.

Negli stessi anni Rossi conduce un secondo esperimento di grande importanza che aveva lo scopo di verificare se le particelle d'alta energia dei raggi cosmici potessero in alcuni casi produrre nella materia particelle secondarie anch'esse ionizzanti.

Rossi sistemò quindi tre contatori GM a triangolo, come in figura qui a fianco. I tre contatori non potevano essere scaricati da un'unica particella viaggiante in linea retta. Tuttavia, quando il tutto era circondato da piombo venivano registrate un gran numero di coincidenze. Se invece si rimuoveva la parte superiore di piombo il numero di coincidenze cadeva sostanzialmente a zero. Le coincidenze pertanto potevano essere solo il risultato di due o più particelle ionizzanti provenienti simultaneamente dal piombo: la radiazione cosmica dunque dava luogo a raggi ionizzanti secondari !

La scoperta inaspettata era la grande abbondanza di raggi secondari, messa in evidenza dall'alto numero di coincidenze e nulla di quanto noto a quel tempo poteva spiegare l'abbondante produzione di particelle secondarie rivelata sperimentalmente.

I risultati di questi esperimenti apparvero così incredibili che i redattori di una importante rivista scientifica a cui Rossi mandò un articolo per la pubblicazione si rifiutò di pubblicarlo. L'articolo fu accettato solo più tardi da un'altra rivista.

Sempre nei primi anni '30 Rossi propose anche di studiare l'eventuale azione del campo magnetico terrestre sulla radiazione primaria: nel caso in cui questa sia costituita da particelle cariche si dovrebbe osservare una diminuzione di intensità della radiazione avvicinandosi all'equatore magnetico (effetto latitudine) e una maggiora intensità della radiazione da oriente o da occidente a seconda della carica delle particelle (effetto est-ovest). Si prevede un effetto più marcato a latitudini minori.

Per Rossi diventa così essenziale effettuare misure a latitudini sufficientemente basse, in prossimità dell'equatore magnetico, e ad altezze sufficientemente alte rispetto al livello del mare per diminuire al massimo l'assorbimento atmosferico.

Solo nel 1933, dopo essersi trasferito a Padova, Rossi riesce ad organizzare una spedizione in Eritrea per studiare l'effetto latitudine e l'effetto est-ovest ma ormai altri gruppi, quello di Compton in particolare, lo hanno preceduto. La spedizione di Rossi potrà dunque solo confermare l'effetto latitudine. Le misure svolte ad Asmara evidenziano però un effetto est-ovest molto più marcato rispetto ai risultati delle altre spedizioni. I raggi cosmici quindi contengono non solo una porzione di particelle positive, come ipotizzato da Compton, ma secondo Rossi essi sono prevalentemente costituiti da tali particelle.

Un altro risultato rilevante della spedizione in Eritrea è la prima congettura dell'esistenza nella radiazione secondaria di grandi sciami di particelle generati dall'atmosfera, idea nata dall'osservazione di una frequenza di coincidenze tra contatori lontani troppo elevata per essere dovuta solo a coincidenze casuali. La conferma degli sciami estesi arriverà alla fine degli anni '30 dagli studi di Auger e Maze.

Fonte: B.Rossi, "I raggi cosmici"