Raggi cosmici primari e secondari. Problemi ancora aperti.
RAGGI COSMICI PRIMARI.
Come abbiamo visto nella precedente sezione andando verso gli strati alti dell'atmosfera si trovano particelle come i π o altre particelle più pesanti di vita molto breve che decadendo non riescono ad arrivare a livello del mare. Proprio la loro breve vita rende chiaro che queste particelle non possono costituire la radiazione primaria.
Già all'inizio del 1940 gli studi sperimentali sull'effetto del campo magnetico sulla radiazione incidente avevano mostrato che la maggior parte dei raggi cosmici primari erano particelle dotate di carica positiva.
All'inizio degli anni '40 proprio lo sviluppo dei nuovi rivelatori posti su palloni sonda permisero di intraprendere esperimenti fino a 21.000 m, dove la pressione è 1/30 di quella atmosferica che misero in luce che gran parte della radiazione cosmica primaria è costituita da protoni, ma non solo. Nel 1948 due gruppi americani, alle università di Rochester e del Minnesota, lanciarono a circa 29.000 m di altitudine un pallone sonda che trasportava emulsioni nucleari che riportarono tracce di particelle di altissima energia molto più ionizzanti dei protoni: nuclei di elio. L'accumulo dei dati sperimentali raccolti negli anni successivi ci hanno portato alla comprensione del quadro odierno sulla radiazione primaria:
PROTONI : 90% CIRCA
NUCLEI DI ELIO : POCO MENO DEL RESTANTE 10%
TRACCE DI NUCLEI PIU' PESANTI, FOTONI; NEUTRINI ; UNA PICCOLA PARTE DI ANTIMATERIA.
RAGGI COSMICI SECONDARI
La particella primaria ( in genere un protone) urta un nucleo di ossigeno o azoto nell'atmosfera, come mostrato nell'immagine sopra. Da queste reazioni nucleari vengono prodotti neutroni , protoni (p) mesoni π neutri (π0 ) e carichi ( π+ , π- ), antiprotoni e antineutroni ed altre particelle più pesanti ( mesoni K e iperoni Y). I mesoni π0 decadono in fotoni che materializzano producendo coppie e dando origine a cascate di e+, e-, e fotoni a poco a poco sempre meno energetici. Gli elettroni irradiano parte della loro energia sotto forma di raggi γ (Bremsstrahlung). I i mesoni carichi invece possono colpire altri nuclei atmosferici o decadere in muoni positivi o negativi ( η- e η+). La maggior parte delle particelle cariche che arrivano sulla superficie della terra sono elettroni, positroni e muoni.
Con quanto detto sembrerebbe dunque che tutte le domande aperte ad inizio '900 abbiano trovato una risposta e ci chiediamo dunque
- SAPPIAMO TUTTO ORA SUI RAGGI COSMICI?
- HA ANCORA SENSO OGGI UNA "FISICA DEI RAGGI COSMICI?"
Cercheremo di rispondere in dettaglio a queste domande col resto del materiale esposto in questa sezione ma riassumiamo qui le questioni di fondo ancora aperte:
1) La prima domanda oggi ancora aperta riguarda l'origine dei raggi cosmici primari. Da dove provengono queste particelle così energetiche che bombardano la nostra atmosfera ?
2) Vedremo che lo spettro energetico dei raggi cosmici primari è molto esteso: ci si domanda dunque quali meccanismi siano in grado di accelerare alcune di queste particelle ad energie così elevate, di gran lunga superiori a quelle che siamo in grado di raggiungere negli acceleratori di particelle.
3) I due punti precedenti rispondono implicitamente anche alla seconda domanda: oggi infatti è ancora di grande importanza lo studio dei raggi cosmici perchè cercando di rispondere alle due questioni poste sopra è nata una disciplina a cui spesso ci si riferisce col termine di fisica delle "astroparticelle" , per intendere una disciplina che comprende la fisica delle particelle, la fisica dei raggi cosmici, l'astrofisica e la cosmologia e che contribuisce a comprendere sempre più a fondo i segreti della materia, dei processi che stanno alla base della vita e morte delle stelle e che ci aiutano a comprendere più a fondo l'evoluzione del nostro universo.
L'ultima sezione del nostro percorso sarà così dedicata ad una panoramica di alcuni dei numerosissimi esperimenti oggi in corso che utilizzano le astroparticelle.