La camera a nebbia di Anderson

Dalla metà degli anni '20 di fronte al problema della natura dei raggi cosmici il programma di ricerca di Robert A. Millikan al Californian Institute of Technology (Caltech) aveva i seguenti obiettivi: raccogliere tutte le possibili informazioni sulla radiazione che giunge alla terra dal cosmo per studiarne la natura, o meglio per confermare la propria ipotesi che fossero una forma di radiazione elettromagnetica di altissima energia, prodotta in reazioni nucleari di sintesi di elementi pesanti dall'idrogeno.

Il gruppo di Millikan fece misure nelle più svariate condizioni: dal livello del mare all'alta montagna, con palloni, aerei, sott'acqua, sempre in competizione con le ricerche di Arthur Compton, convinto assertore della natura particellare dei raggi cosmici. 

A fronte dei recenti risultati di Rossi, Blackett e Occhialini che avevano messo in seria difficoltà la teoria di Millikan quest'ultimo nel 1930 avviò un programma di ricerca per misurare l'energia dei raggi cosmici secondari ed incaricò di questo uno dei suoi dottorandi, Carl Anderson.

Anderson costruì una camera a nebbia molto piccola ( 17 cm di diametro e 3 cm di spessore) e la pose tra due elettromagneti di 1m di diametro. Utilizzando un potente motore per generare la corrente necessaria per alimentare i due elettromagneti Anderson riuscì a produrre nella zona in cui era posta la camera a nebbia un campo magnetici molto intenso di 1,7T. La foto qui a fianco ritrae Anderson al fianco della sua camera a nebbia.

Una curiosità : il motore utilizzato da Anderson aveva una potenza di 425kW, 1/10 della potenza richiesta per alimentare l'intero campus di dell'Università di Caltech. Proprio per questo motivo Anderson ebbe l'autorizzazione ad effettuare le sue misure solo di notte, per evitare problemi all'alimentazione di corrente del campus.

Anderson dispose anche una macchina fotografica per catturare le immagini delle particelle che attraversavano la camera a nebbia. Lui non utilizzava l'ingegnoso metodo delle coincidenze messo a punto da Rossi per scattare le foto solo quando la camera veniva attraversata, così Anderson per le sue ricerche scattò circa 1600 foto!

Dalle legge dell'elettromagnetismo classico Anderson sapeva che  una particella immersa in un campo magnetico subisce una forza (Forza di Lorentz ) che ne curva la traettoria e che il raggio di curvatura è dato da R = (mv)/(qB) . Dal tipo di traccia lasciata dunque, ossia dal raggio di curvatura e dallo spessore della traccia, Anderson riusciva a determinare i parametri fondamentali della particella che l'aveva lasciata ossia la massa, la carica e la sua velocità.

Anderson nota che le tracce lasciate da particelle con carica e massa pari a quelle dell'elettrone erano circa per la metà curvate a destra e metà a sinistra.

Supponendo che la direzione del moto fosse sempre verso il basso, Anderson concluse che c'era approssimativamente lo stesso numero di particelle con carica positiva e negativa, in totale contrasto con ciò che ci si aspettava: elettroni generati nell'assorbimento dei fotoni di alta energia.

Osservazioni più dettagliate sul potere di ionizzazione mettevano però in evidenza che la densità di ionizzazione per le due particelle di diversa carica era praticamente la stessa. Questo risultato lasciava aperta la strada a due possibili interpretazioni:

1) Le particelle delle due cariche avevano masse simili, dunque quelle positive non erano protoni, bensì altre particelle di massa uguale a quella di un elettrone ma con carica positiva. Infatti, il potere ionizzante diminuisce al crescere della velocità e la velocità è maggiore per particelle più leggere ed minore per quelle più pesanti. Perciò la particella più leggera ha minor effetto ionizzante. Se le particelle fossero stati elettroni e protoni le loro tracce avrebbero avuto densità di ionizzazione diverse.

2) La seconda possibilità era invece che le particelle ritenute di carica positiva in moto verso il basso fossero invece di carica negativa in moto verso l'alto. 

Per comprendere quale delle due fosse l'ipotesi corretta Anderson modificò il suo appartato sperimentale ed effettuò nuove misure. Vedremo quali nella prossima pagina. 

Per trarre conclusioni definitive sul segno della carica era però necessario stabilire con certezza la direzione di provenienza delle particelle: le leggi del magnetismo prevedono infatti lo stesso tipo di traccia per una particella negativa proveniente dall'alto e per una particella positiva proveniente dal basso e viceversa.