Lo studio dei raggi cosmci oggi

Bruno Rossi nel 1962 concludeva così il suo libro "I Raggi cosmici" dicendo:

"Il fisico dei Raggi Cosmici come specialista sta diventando una figura del passato ..... È possibilissimo che futuri storici della scienza chiudano il capitolo sui raggi cosmici col cinquantesimo anniversario della scoperta di Hess"

Questa affermazione si comprende ricordando che dopo che la scoperta dei RC, che aveva portato alla scoperta dell'antimateria ed aveva aperto il mondo della fisica delle particelle elementari,i fisici cominciarono a costruire gli acceleratori di particelle, grandi e sofisticati apparati che permettevano lo studio degli esiti delle collisioni tra i componenti ultimi della materia in modo più controllato.

A partire dagli anni '50 del secolo scorso la fisica delle particelle si trasferisce così dai palloni e dagli osservatori in montagna agli acceleratori sempre più potenti di cui oggi LHC al CERN rappresenta la punta più avanzata: nasce la cosidetta "Fisica delle particelle” o "Fisica delle alte energie”. In pochi decenni grazie ad uno sviluppo scientifico e tecnologico senza precedenti l'energia prodotta negli acceleratori cresce di 3 ordini di grandezza ogni 20 anni

Con il passare degli anni si comprende però che gli acceleratori e lo studio della fisica che essi permettono non può sostituire completamente la fisica dei raggi cosmici: le energie raggiungibili negli acceleratori sono di gran lunga inferiori alle energie di alcune particelle che arrivano dallo spazio.

Il grafico a fianco  riportail flusso di RC in funzione dell'energia ed evidenzia come l'energia più elevata raggiungibile con LHC (14 TeV) sia di gran lunga inferiore all'energia dei RC più energetici.

Ma questo non è l'unico motivo che rende la fisica dei raggi cosmici oggi più che mai attuale: come abbiamo visto precedentemente le probabili sorgenti dei RC sono oggeti celesti di cui abbiamo ancora molto da imparare e attraverso lo studio delle caratteristiche della radiazione che ci investe quotidianamente arrivando dal cielo possiamo acquisire importati informazioni.

Nasce così negli ultimi decenni la fisica delle astroparticelle, per identificare quella branca multidisciplinare che comprende la fisica delle particelle, la fisica dei raggi cosmici, l'astrofisica e la cosmologia

GLI SCIAMI ATMOSFERICI

Nel 1938, in un laboratorio ad alta quota sulle Alpi, Pierre Auger e i suoi collaboratori osservarono l'arrivo simultaneo di particelle in contatori distanti molti metri l'uni dall'altro scoprendo così l'esistenza di sciami estesi di particelle. Generati dall'interazione della radiazione primaria con l'atmosfera, gli sciami atmosferici si propagano in profondità allargandosi lateralmente rispetto alla direzione originaria di volo, in una cascata di prodotti secondari che, a terra, coprono una superficie che può , alle più alte energie registrate oggi, raggiungere alcuni chilometri quadrati.

Da allora le ricerche sui raggi cosmici cominciarono a differenziarsi lungo due direttive principali: la prima con misure di sciami atmosferici effettuate da terra ( misure indirette) la seconda con strumenti in volo nella stratosfera o in orbita terrestre.

A partire dagli anni '50 gli apparati a terra si sono moltiplicati de evoluti sia nelle dimensioni che nelle tecniche utilizzate. Dato che il flusso dei RC di alta energia è piccolo per raccogliere una statistica significativa gli apparati di rivelazione devono osservare enormi volumi di atmosfera ed è inoltre necessario avere un tempo di osservazione il più lungo possibile. Di questo tipo vedremo nel seguito gli osservatori a matrice con l'esempio dell'osservatorio Auger e i telescopi Cherenkov con l'esempio di MAGIC.

Nel caso di strumenti inviati nella stratosfera o nello spazio l'identificazione della particella cosmica è effettuata in modo diretto  mentre è assai più difficile misurarne l'energia cinetica, a causa delle forti limitazioni sul peso del carico. Uno dei metodi consiste infatti nel far incidere la particella su un blocco assorbitore ( calorimetro) e studiare lo sviluppo dello sciam prodotto e dell'energia rilasciata. Questa tecnica richieste l'utilizzo di assorbitori pesanti come piombo o tungsteno e dato che la massa totale del carico è limitata questo riduce lo spesso re totale del calorimetro a scapito del contenimento dello sciame e quindi della precisione della misura.

Inoltre la dimensione della superficie sensibile dello strumento è anch'essa limitata a valori modesti, dell'ordine del metro quadrato. Dato che all'aumentare dell'energia il flusso di raggi cosmici diminuisce drasticamente, l'energia massima che viene raggiunta dipende dalla statistica che si riesce ad accumulare in un tempo ragionevole ( decine di giorni su palloni o qualche anno a bordo di un satellite).