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23/11/2017
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L'assorbimento dei raggi cosmici nella materia:

 

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Introduzione alle AstroParticelle

Il libro AstroParticelle

26.09.2013 - Un viaggio scientifico tra i raggi cosmici raccontato attraverso la storia, le invenzioni i rivelatori e gli osservatori; senza trascurare gli effetti che essi producono coinvolgendo numerose discipline scientifiche tra cui astrofisica, geofisica e paleontologia.

Libro

 

 

 

 

 

 

Introduzione

Le particelle dei raggi cosmici che attraversano un mezzo qualsiasi (siano aria, acqua, roccia o altro) perdono progressivamente energia. I processi di interazione sono diversi e comprendono quelli nucleari, di ionizzazione, di bremsstrahlung e di produzione di coppie. Ogni materiale ha comportamenti diversi in relazione alla radiazione cosmica, l'acqua pura ad esempio ha buone proprietà di assorbimento, i metalli invece, in genere sono noti per produrre radiazione (bremsstrahlung) al passaggio di particelle cariche.

Nel 1929 lo scienziato russo Skobeltzyn, per primo osservò che durante il passaggio dei raggi cosmici poteva essere prodotta radiazione secondaria nella materia. Bruno Rossi studiò approfonditamente questo fenomeno con il suo celebre esperimento con tre tubi Geiger-Müller (GMT) fuori asse. Una singola particella che viaggiava in linea retta e misurata nel primo tubo (GMT1), non poteva produrre segnali nei tubi sottostanti (GMT1,2, vedi figura), tuttavia se era presente lo schermo in piombo, Rossi registrava segnali coincidenti in tutti i tubi, invece rimuovendo lo schermo le coincidenze tra i tubi crollavano quasi a zero.

GMT Rossi experiment
L'esperimento di Bruno Rossi [1]

Con un esperimento analogo, Rossi produsse la curva degli sciami, oggi meglio conosciuta come "curva di Rossi", la quale descrive il comportamento degli sciami di particelle al variare dello spessore del materiale che attraversano.

Intuitivamente ci aspetteremmo che all'aumentare dello spessore di materia i raggi cosmici siano assorbiti progressivamente. In pratica invece succede che all'interno della materia si producono sciami di particelle, il numero di particelle aumenta finché lo spessore è abbastanza grande da assorbire le stesse particelle prodotte, a questo punto il flusso misurato inizia a diminuire progressivamente.

 

Bruno Rossi Cosmic ray experiment lead
La curva di Rossi [1] che mette in rapporto lo spessore
di materiale con il numero di coincidenze, in questo caso
il massimo di coincidenze misurate corrisponde con lo
spessore di piombo di 1 cm.

 

Gli esperimenti di Rossi dimostrarono che maggiore è la densità del materiale attraversato, maggiore è la produzione di particelle, così come è maggiore il riassorbimento degli stessi sciami prodotti.

La spiegazione teorica del fenomeno fu ipotizzata da diversi autori, in particolare Bethe e Heitler svilupparono una teoria formale dando un grande contributo al progresso nella fisica dei raggi cosmici e delle particelle elementari.

Il processo si può semplificare in questo modo: un raggio cosmico, ad esempio un muone attraversando il metallo interagisce con il campo elettrico degli atomi e produce una radiazione (fotoni). I fotoni prodotti se hanno abbastanza energia possono produrre una coppia di particelle: elettrone + positrone. Queste particelle possono a loro volta produrre radiazione (altri fotoni) e il meccanismo continua finché l'energia è sufficiente; quando l'energia è inferiore a quella della somma di elettrone + positrone (circa 1MeV) la radiazione viene assorbita in altri processi, ad esempio per ionizzazione.

La produzione degli sciami nei materiali è direttamente proporzionale anche all'energia dell'elettrone, ma fino a un certo punto, dopo di che si stabilizza. La curva (storica) sottostante è calcolata teoricamente da Snyder e ricalca l'andamento delle curve empiriche di Rossi.

Snyder curve
Curva di Snyder [1], l'energia è espressa in BeV, che oggi chiamiamo GeV.

 

L'esperimento di assorbimento

Da diverso tempo eravamo curiosi di sapere quanta materia è necessaria per assorbire sufficiente energia dai raggi cosmici, tale da mostrare una sensibile diminuzione nei dati misurati dai nostri rivelatori a tubi GMT, AMD5 (e altri). L'idea era di creare una barriera "assorbente" sopra al rivelatore, tenendo presente l'effetto degli sciami nei materiali, ovvero che la radiazione prima aumenta e solo con uno spessore sufficiente diminuisce; un metro di acqua posto sopra al rivelatore sembrava una quantità sufficiente. Tuttavia nel corso di varie prove non eravamo mai riusciti ad ottenere dei dati chiari. Un esperimento del 2015 ad esempio aveva mostrato un certo assorbimento ma la statistica era troppo scarsa e i dati ottenuti poco significativi per avere un certezza.

assorbimento raggi cosmici
Esperimento del 2015 con il rivelatore AMD4

Repetita iuvant

La necessità di ottenere dati chiari e magari utili alle attuali indagini in corso sottoterra, ci ha spinto a indagare più a fondo. Prima di tutto abbiamo ripetuto l'esperimento con l'acqua con due rivelatori (AMD5 e AMD10) e con entrambi gli strumenti abbiamo ottenuto un sistematico e chiaro aumento nel flusso di particelle misurato:

assorbimento dei raggi cosmici nell'acqua
Grafico del flusso di raggi cosmici con 0 e 1 mwe di assorbente (acqua),
con 1 mwe (barre azzurro-verde) il flusso di particelle aumenta sensibilmente.

 

Gli ultimi esperimenti infatti indicano, non solo che uno spessore di acqua di un metro è insufficiente, ma che l'attenuazione inizia a manifestarsi inequivocabilmente solo sopra ai 2 MWE, (meter water equivalent) ovvero metri di acqua equivalenti.

Nelle attuali esperienze, per questioni pratiche al posto dell'acqua è stato utilizzato ferro, piombo e ghisa (pesi per bilancieri). Lo spessore di materiale da sovrapporre è stato calcolato misurando direttamente la densità del materiale, ed esprimendo i valori in mwe.

setup esperimento 2.5 mwe
Esperimento di assorbimento con AMD5 (06.2017)

 

Gli esperimenti sono comunque affetti da qualche errore sperimentale (di natura pratica):

  • La superficie del materiale sovrapposto non copre tutto l'angolo solido inquadrato dai rivelatori
  • Il massimo spessore ottenibile è stato quello pari a 2.5 mwe
  • La statistica è limitata dalla durata delle misure (circa 12 ore per ogni valore ottenuto)
  • Anche se il Sole è in un periodo quieto, non sempre ha collaborato positivamente e non sono state calcolate eventuali influenze

 

Gli apparati utilizzati

Sono stati utilizzati tre rivelatori:

  1. Un rivelatore AMD5 con finestra di coincidenza allargata (60 ms)
  2. Un rivelatore AMD10 con finestra di coincidenza minima (190 us) e utilizzato solo con il canale centrale che punta allo zenit
  3. Un secondo rivelatore AMD5 impostato con finestra di coincidenza minima (190 us)

 

L'attività del Sole

In certi casi l'attività solare, in particolare il suo campo magnetico e quello del vento solare, possono influenzare il flusso dei raggi cosmici a terra. Quanto più la statistica delle misure sui raggi cosmici è delicata (misure di breve durata) tanto maggiore dovrebbe essere l'attenzione da dedicare ai parametri solari.

Con i primi due apparati utilizzati l'attività solare era in un periodo di quiete assoluta, quindi i dati non sono stati influenzati dal campo magnetico solare, durante l'utilizzo del terzo strumento invece il Sole ha avuto un risveglio e questo potrebbe avere influito sulle misure.


Il vento solare ha cambiato nettamente i suoi parametri proprio durante la terza esperienza (DOY 162-165 - 2017)
si nota ad esempio che la sua velocità è quasi raddoppiata.

 

I risultati dell'esperimento di assorbimento

I risultati mostrano uno straordinario andamento simile con i primi due apparati/esperimenti, AMD5 e AMD10. Il secondo AMD5 mostra invece un andamento più appiattito.

esperimento raggi cosmici curve di Rossi
Flusso di particelle (conteggi al minuto) in rapporto allo spessore di materia in mwe.

 

Il picco massimo di particelle registrate si trova in corrispondenza di 1 mwe di materia sovrapposta, mentre a 2.5 mwe i valori raggiungono praticamente quelli di partenza. Con il terzo rivelatore ci riserviamo di ripetere le misure per escludere il problema dell'attività solare, da notare che anche con questo strumento, tra 0.5 e 2 mwe il picco massimo è sempre su 1 mwe.

 

Conclusione

Da questi dati possiamo iniziare a trarre qualche conclusione:

La curva ottenuta assume un andamento molto simile alle curve di Rossi e Snyder, ci troviamo di fronte alla produzione di sciami nella materia.

L'assorbimento nella materia inizia ad essere registrato proprio con valori superiori ad almeno 2.5 mwe.

Anche se il setup dei nostri rivelatori è diverso da quello di misura di Rossi, (i nostri utilizzano due GMT in linea retta verso lo zenit) il fatto che necessiti così tanta materia per rivelare l'assorbimento degli sciami, indica che i GMT con cui sono costruiti i rivelatori sono probabilmente molto sensibili alle particelle di bassa energia.

 

esperimento raggi cosmici curve di Rossi

La curva sperimentale di Rossi a confronto con un fit della curva dei dati ottenuti col rivelatore AMD5.

 

E se provassimo in orizzontale?

Ruotando il rivelatore su un fianco ci troveremmo nelle condizioni dell'esperimento di Rossi, come se avessimo solo i due tubi GMT2, GMT3 (prima figura in alto). La coincidenza tra questi potrebbe perciò essere dovuta alla produzione di sciami nei metalli.

Abbiamo provato con alcuni strati di lamiera, in questo caso la durata delle misure è stata di sole 4 ore per ogni valore ottenuto, i limiti dell'esperimento sono quasi gli stessi del precedente:

  • Mancando il primo GMT, le coincidenze misurate possono dipendere anche da altre cause
  • La superficie del materiale sovrapposto non copre tutto l'angolo solido inquadrato dai rivelatori
  • Il massimo spessore ottenibile è stato quello pari a circa 18 mm
  • La statistica è limitata dalla durata delle misure (circa 4 ore per ogni valore ottenuto)
  • Anche se il Sole è in un periodo quieto, non sempre ha collaborato positivamente e non sono state calcolate eventuali influenze

Qui abbiamo utilizzato il rivelatore AMD5 e il rivelatore AMD7 che ha il vantaggio di avere tre tubi, in questo caso posizionati in linea orizzontale (entrambi i detector con la finestra di coincidenza standard).

AMD7 in azione.

 

I risultati ottenuti sono esposti nel grafico sottostante, la curva di AMD7 sembra la migliore, anche se non rispecchia molto quella attesa, con un valore un po' alto per il suo "zero" (cioè la misura fatta senza lastre di metallo posizionate sopra di esso) e un po' basso per le prime due misure. La curva mostra comunque un bel picco in corrispondenza di 7 mm di metallo di spessore e questo è da imputare alla produzione degli sciami nella materia.

Per AMD5 il risultato è analogo, dove però le prime tre misure diminuiscono, mentre ci aspetteremmo un aumento, qui un picco (per quanto basso rispetto ai valori di partenza) compare intorno a 9 mm di spessore di metallo.

Coincidenze "orizzontali" a confronto con lo spessore di metallo in millimetri,
i valori sono espressi in cph (conteggi per ora).

 

Bisogna sottolineare che in questo esperimento il numero di eventi è molto basso, in particolar modo per il rivelatore con tre GMT (per questo motivo i dati sono stati espressi in conteggi per ora) e quindi anche la statistica ne risente; in questi esperimenti, come in tutti gli esperimenti di fisica delle particelle elementari è estremamente importante avere dati di lunga durata e quindi molta pazienza e lunghe attese. Gli indizi ci suggeriscono che sarebbe utile ripetere quest'ultimo esperimento con un setup più accurato e con una maggiore durata delle misure.

M.A.

[1] B. Rossi, I raggi cosmici - Einaudi 1971

 

 

 

 

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