Negli anni che seguirono la scoperta dell'antimateria e degli sciami molti gruppi di ricercatori eseguirono diversi esperimenti in laboratori diversi con GM non allineati per comprenderne le caratteristiche. In particolare:

1) Si trova la "curva degli sciami" che descrive il numero di coincidenze ( e quindi di particelle secondarie prodotte) al crescere dello spessore assorbente sopra i contatori. Come si può vedere dalla curva qui a fianco (in questo caso il materiale assorbente era il piombo) all'aumentare dello spessore del piombo il numero di coincidenze cresce rapidamente fino a 1 , 2 cm e poi, del tutto inaspettatamente decresce altrettanto rapidamente

2) Cambiando materiale assorbente si trova che gli sciami erano prodotti in modo più abbondante, a parità di massa, da elementi pesanti ( es piombo, Z=82) che in elementi leggeri ( es. Alluminio, Z=13).

Un importante sviluppo teorico permise di comprendere come si formavano e sviluppavano gli sciami e di compiere importanti progressi nella comprensione dei meccanismi di interazione delle particelle con la materia. Questo avvenne perchè si cominciarono ad utilizzare le nuove teorie: meccanica quantistica e relatività ristretta.

Nel 1934 Bethe e Heitler che allora lavoravano in Inghilterra pubblicarono un importante articolo che descrive alcune importanti caratteristiche su come le particelle cariche e i fotoni che attraversano la materia possono perdere la loro energia:

1) Quando una particella carica passa vicino ad un nucleo atomico la sua traettoria viene curvata dal forte campo elettrico generato dal nucleo. Già la teoria classica prevedeva che particelle accelerate irradino energia ( e quindi perdano la loro energia) sotto forma di onde elettromagnetiche (radiazione di Bremsstrahlung). Ma applicando la teoria quantistica ed utilizzando le equazioni relativistiche del moto trovarono che 

1.a) Le perdite per irraggiamento sono molto maggiori per particelle leggere ( come elettroni) che per particelle pesanti ( come protoni)

1.b) A parità di massa le perdite per irraggiamento sono molto più grandi per elementi con Z elevato che in elementi leggeri

1.c) Le perdite per irraggiamento aumentano rapidamente con l'energia.

2) Nel caso di fotoni invece, essi attraversando la materia possono

2.a) Produrre effetto fotoelettrico: ossia essere assorbiti da un elettrone che per effetto dell'energia assorbita viene emesso dall'atomo a cui appartiene. 

2.b) Subire effetto Compton : ossia nella collisione con un elettrone delle shell esterne il fotone perde solo parte della sua energia e prosegue nel suo cammino deviato e con frequenza minore ( E= hf) mentre l'atomo emette l'elettrone che ha assorbito energia

2.c) infine se il fotone ha energie superiori al MeV può, interagendo col campo elettrico del nucleo, materializzarsi in una coppia elettrone-positrone. Nel loro articolo Bethe e Heithler trovano che:

- Per una data energia del fotone la probabilità della produzione di coppie cresce al crescere del numero atomico Z dell'elemento

- Partendo da un'energia di un Mev, alla quale i fotoni cominciano a produrre coppie, la probabilità della produzione di coppie in un dato spessore di materia dapprima cresce rapidamente al crescere dell'energia del fotone e poi tende a stabilizzarsi ad un livello quasi costante. Poichè la probabilità di collisioni Compton diminuisce costantemente all'aumentare dell'energia ne segue che i fotoni vengono assorbiti principalmente per effetto Compton a basse energie e principalmente per produzione di coppie ad alte energie.  L'energia alla quale la produzione di coppie supera l'effetto Compton è di circa 5 Mev nel piombo e di circa 20 Mev in aria.

Dunque i modi in cui sia elettroni che fotoni possono interagire con la materia sono molteplici ed in ogni caso dipendono sia dell'energia che dal numero atomico del materiale che attraversano. Questi processi si rivelarono corretti per descrivere come si producono gli sciami di raggi cosmici: un elettrone incidente di alta energia irradia fotoni quando viene deflesso nel campo coulombiano del nucleo. Il  fotone generato produce una coppia elettrone-positrone nel campo di un altro nucleo, o eccita un elettrone Compton e così via. Gli elettroni secondari subiscono lo stesso tipo di processo, il numero di particelle aumenta mentre l'energia media diminuisce e uno sciame a cascata di elettroni e fotoni si forma finché il livello di energia diventa talmente basso che non possono più generarsi i processi di foto emissione e produzione di coppie. L'energia dello sciame alla fine viene dissipata attraverso gli effetti Compton e fotoelettrico sugli elettroni atomici da parte dei fotoni e attraverso la ionizzazione e l'eccitazione degli atomi dell'assorbitore da parte degli elettroni.

Vediamo un esempio nell'immagine qui sopra:l'elettrone OA genera lo sciame. In B il fotone AB si materializza in due elettroni BC e BD. In Q un fotone è prodotto per un processo di Bremsstrahlung. In R perde la sua energia materializzandosi in una coppia di elettroni. A livello PQ lo sciame è divenuto estremamente complesso.

Questa interpretazione degli sciami dei raggi cosmici fu sviluppata quasi simultaneamente (1937) da Bhabha e Heitler in Inghilterra, e da J. Carlson e Oppenheimer negli Usa. La teoria dettagliata del processo di cascata presentava un difficile problema matematico di natura statistica: il punto esatto in cui un dato fotone si materializza in una coppia o un elettrone irraggia è di natura probabilisticao. Come l'energia del fotone o dell'elettrone si distribuisca fra le due particelle prodotte nel singolo evento è ugualmente una questione largamente legata al caso. Di conseguenza gli sciami iniziati da fotoni o elettroni di una data energia non hanno lo stesso aspetto. Si può tuttavia indagare sul comportamento medio.

L'analisi dettagliata di molti dati sperimentali dimostrò che nel complesso la teoria della cascata spiegava in modo soddisfacente le caratteristiche essenziali degli sciami e questo dunque chiarì alcune questioni fondamentali:

1) La radiazione cosmica locale contiene elettroni e fotoni con energie dell'ordine dei GeV

2) Gli sciami osservati risultano da processi in cascata iniziati da questi elettroni e fotoni

3) Le interazioni individuali responsabili delle cascate sono le collisioni radiative di elettroni e la produzione di coppie da parte di fotoni in vicinanza dei nuclei, in cui peraltro non inducono alcun cambiamento della struttura dei nuclei ( al contrario della precedente ipotesi che riteneva che gli sciami fossero il risultato di disintegrazioni nucleari)

4) Le particelle ionizzanti che costituiscono la componente molle della radiazione cosmica locale sono gli elettroni degli sciami originati nell'atmosfera o nel tetto dell'edificio dove vengono effettuati gli esperimenti.

Dunque, una volta conosciuti la produzione di coppie e i processi di irraggiamento i fisici si resero conto di come la radiazione che produce sciami consistesse di elettroni e fotoni ad alta energia. Ma nello stesso tempo , era parimenti evidente che le particelle penetranti che invece erano in grado di attraversare indisturbate anche decine di centimetri di piombo non potevano essere elettroni. Che cos'erano dunque queste particelle ?


 Fonte: "I raggi cosmici" di Bruno Rossi

Last modified: Tuesday, 8 December 2015, 10:30 AM