Sciami di raggi cosmici

Ben presto, dopo i risultati ottenuti da Rossi, fu chiaro che l'interazione della radiazione cosmica con la materia dava luogo ad effetti ben più complicati ed insoliti rispetto a quanto si pensasse inizialmente. 

Nel 1932 infatti, insieme alla scoperta del positrone ad opera di Carl Anderson, Patrick  Blackett e Giuseppe Occhialini diedero un importante contribuito alla fisica. Come disse Blackett durante la conferenza della consegna del premio Nobel nel 1948 "Occhialini ed io decidemmo di sviluppare un metodo che costringesse i raggi cosmici a farsi la loro stessa foto". La loro idea fu quella di utilizzare due contatori Geiger Müller inseriti in un circuito di coincidenza, come quelli perfezionati da Rossi, per controllare una camera a condensazione.

La camera a condensazione sviluppata da Wilson infatti era l'ideale per mostrare i particolari di ciò che avviene nelle interazioni ad alta energia. Quando la si utilizza per lo studio dei raggi cosmici ha però un grave difetto: Sappiamo infatti che per diventare sensibile al passaggio di particelle ionizzanti deve espandersi e dopo ciascuna espansione la camera è sensibile solo per 0,01s. Le particelle di raggi cosmici d'altra parte arrivano con un'intensità piccola: circa una al minuto per centimetro quadrato a livello del mare. Di conseguenza la probabilità di cogliere una particella di raggi cosmici durante la fase di espansione è piccolissima e ancora più piccola è la probabilità che questa particella mostri poi qualcosa di interessante.

L'idea sviluppata da Blackett e Occhialini è allora quella di far espandere la camera solo "al momento giusto”: per far questo montano un contatore GM sopra la camera ed uno sotto collegati tra loro da un circuito di coincidenza. Il segnale di uscita del circuito viene utilizzato per azionare un meccanismo veloce di espansione: in questo modo la camera si espande solo quando c'è un evento di coincidenza.

La realizzazione dell'apparato non è semplice perché necessita di un'elettronica molto veloce ma Blackett e Occhialini che lavorano all'epoca al Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge ce la fanno. Blackett era già ben noto per i suoi studi sulla radioattività utilizzando la camera a condensazione. Occhialini invece si era specializzato nell'utilizzo dei contatori GM lavorando ad Arcetri, ed era proprio all'inizio della sua carriera scientifica.

Utilizzando il loro metodo ottennero così moltissime foto, circa 700, e più del 80% erano significative.

L'articolo che i due scienziati pubblicarono nel 1933 e che descriveva le loro osservazioni costituì una pietra miliare nella storia delle ricerche sui raggi cosmici.

Un numero notevole di fotografie mostrava le tracce di molte particelle (vedi immagine a fianco) che erano il prodotto dell'interazione di un singolo raggio cosmico altamente energetico nelle immediate vicinanze della camera. Questi gruppi di particelle, o sciami come vennero poi denominati, erano senza alcun dubbio la causa delle coincidenze osservate da Rossi con i tre contatori non allineati.

L'abbondante produzione di raggi secondari significava che una notevole frazione delle particelle osservate a livello del mare era stata prodotta in atmosfera. A quell'epoca erano molti gli scienziati a ritenere che le particelle piu' penetranti, capaci di percorrere grandi distanze nel piombo fossero i veri raggi primari mentre le particelle "molli", quelle assorbite da pochi centimetri di piombo come secondarie. Molti invece ritenevano che la possibilità che una particella primaria potesse attraversare senza urti l'intera atmosfera era molto bassa. Se così era in realtà tutte le particelle trovate a livello del mare avrebbero dovuto essere prodotti secondari delle collisioni.

Il problema della natura dei raggi cosmici si stava facendo molto complesso e due erano a questo punto gli interrogativi principali:

1) Qual è la natura della "radazione primaria" che arriva sull'atmosfera dallo spazio ?

2) Qual è la composizione della radiazione secondaria che si osservava nell'atmosfera ? anche se tutti i raggi primari fossero stati della stessa specie, era chiaro che la radiazione secondaria doveva essere più complessa.

Le risposte a questi quesiti arrivarono negli anni successivi.

Fonte: B.Rossi - "I raggi cosmici"