1937: la scoperta del muone
Abbiamo concluso la sezione precedente con un problema aperto: quale era la natura delle particelle penetranti che mostravano di essere in grado di attraversare centimetri di piombo senza irraggiare ?
Secondo la teoria se una particella non irradia quanto l'elettrone deve avere una massa più grande. Poichè all'epoca l'unica particella più pesante dell'elettrone era il protone. Williams nel 1934 suggerì che le particelle penetranti dei raggi cosmici fossero protoni, positivi e negativi, poichè gli esperimento con la camera a condensazione avevano già rivelato che le particelle penetranti portavano cariche di entrambi i segni.
L'ipotesi che le particelle fossero protoni tuttavia incontrò subito difficoltà sperimentali. Al California Institute of Technology infatti Anderson e Neddermeyer condusero una serie di esperimenti utilizzando la camera a condensazione immersa in una campo magnetico con una lastra di piombo di 3,5 mm nel mezzo per studiare la perdita di energia dei raggi cosmici nella materia.
Come sappiamo dall'elettromagnetismo classico una particella in un campo magnetico si muove di moto circolare con raggio di curvatura R = (mv)/(qB). Conoscendo carica e massa di una particella che si muove in un campo magnetico noto B, dalla misura del raggio di curvatura se ne può dedurre la velocità. Dalla velocità e dalla massa e carica della particella dipendono anche la quantità di ionizzazione che la particella lascia sulla traccia che produce nella camera a nebbia.
Nell'articolo che i due fisici pubblicarono nel 1937 arrivarono alle seguenti conclusioni:
1) Esistono due gruppi di particelle completamente separati. Il primo gruppo consiste di particelle che possono essere assorbite dalla lastra e che perdono buona parte dell'energia con valori in accordo a quelli calcolati nella teoria degli sciami. Queste particelle spesso si presentano in gruppi e sono presumibilmente particelle secondarie di sciami che hanno origine al di sopra della camera
2) Un secondo gruppo invece attraversano la lastra di piombo perdendo pochissima energia. Queste particelle penetranti invece, nelle fotografie della camera a condensazione appaiono di solito come tracce singole. Confrontando i valori ottenuti dai raggi di curvatura delle tracce e quelli della quantità di ionizzazione prodotta si conclude che i dati sono compatibili con tracce lasciate da particelle con carica pari a quella dell'elettrone e massa intermedia tra quella del protone e quella dell'elettrone.
Misure successive compiute sempre nel 1937 da Street e Stevenson confermarono l'esistenza di una nuova particella e fornirono una prima stima della sua massa: circa 200 volte quella dell'elettrone. La nuova particelle fu chiamata inizialmente in vari modi ma alla fine il nome poi universalmente accettato fu muone \( \mu \).
Col passare degli anni si fecero misure sempre più accurate della massa del \( \mu \) che oggi sappiamo essere 206,8 me. Nel 1950 i muoni vennero anche perr la prima volta prodotti artificialmente negli acceleratori di particelle.
Gli anni successivi vennero svolti diversi esperimenti che mostrarono:
1) che oltre al muone negativo esiste la sua antiparticlla il nuone positivo
2) che i muoni non sono particelle stabili ma decadono molto rapidamente : il loro tempo di vita medio è di 2,2 10-6 s.
Per apprezzare il contributo degli scienziati europei si debbono prendere in considerazione le grandi difficoltà in cui essi lavorarono negli anni della guerra. Gli italiani per esempio ( tra cui occorre ricordare l'importanza decisiva dell'esperimento condotto da Conversi Pancini e Piccioni ) condussero la maggior parte dei loro esperimenti nascosti in una cantina dove essi avevano trasferito in segreto il loro equipaggiamento quando i tedeschi invasero Roma nel 1943.
I muoni sono, dopo gli elettroni, le particelle cariche più leggere e perciò ciascuno di essi può decadere soltanto in un elettrone e in altre particelle di carica complessiva nulla. Quasi tutte le volte, essi decadono in un elettrone, un antineutrino elettronico e in un neutrino muonico. Gli antimuoni decadono invece in un positrone, in un neutrino elettronico e in un antineutrino muonico.
.- Si dice che il fisico Isodor Rabi, saputa della scoperta del muone esclamò " E questo chi l'ha ordinato ?". La scoperta infatti di una particella instabile, che non è un componente della materia ordinaria, che decade in elettroni apriva infatti la fisica a nuovi quesiti. Perchè esisteva questa particella ? Ne esistevano altre che potevano crearsi nell'interazioni delle particelle primarie con l'atmosfera ? Quali erano i meccanismi che governavano questi decadimenti?
Fonti: "I raggi cosmici" di B.Rossi