Bruno Rossi è definito come il padre della fisica dei raggi cosmici in Italia, sebbene non bisogna dimenticare anche gli importanti contributi di Giuseppe Occhialini (quasi suo coetaneo) e di altri scienziati italiani.

Tra i lavori di Rossi vanno sicuramente ricordati quello del metodo di rivelazione dei raggi cosmici, la scoperta degli sciami atmosferici, le curve di assorbimento di energia nei metalli e l'idea di usare il campo magnetico della Terra per capire la natura dei raggi cosmici primari.

Coincidenze

Negli anni trenta i tubi di Geiger e Müller (GMT) erano largamente impiegati per le misure di radiazione ionizzante, in Germania, Bothe e Kolhörster utilizzando dei contatori Geiger sovrapposti collegati a elettrometri, stavano scoprendo la grande forza di penetrazione dei raggi cosmici capaci di attraversare anche uno spessore di 4,1 cm di oro a livello del mare. Il metodo ideato da Walther Bothe, di utilizzare contatori Geiger impilati (premio Nobel 1954 per il metodo delle coincidenze), serviva per determinare il passaggio di una particella carica in un percorso: se due contatori scattavano simultaneamente significava che la particella era passata in entrambi i contatori, attraversando anche il metallo interposto tra di loro. Questo garantiva di misurare solamente le particelle più energetiche - ovvero i raggi cosmici - infatti è estremamente improbabile che i contatori potessero scattare in coincidenza per il passaggio accidentale di particelle diverse. Nel 1929 venne realizzato un primo circuito elettronico a triodi (valvole termoioniche) dallo stesso Bothe con un conta-colpi elettromeccanico collegato.

Nel 1930 Bruno Rossi a Charlottenburg (negli stessi laboratori di Bothe) migliora gli esperimenti di Bothe e costruisce un circuito elettronico sempre a valvole in grado di dare un impulso in uscita solo se le particelle attraversano tre contatori Geiger simultaneamente. Per capire la forza di penetrazione interpone mattoni di piombo tra un contatore e l’altro scoprendo che le particelle riescono ad attraversare anche uno spessore totale pari a un metro di piombo. Il metodo di rilevamento in coincidenza è divenuto il principio di funzionamento di qualsiasi rivelatore di raggi cosmici, e il circuito elettronico di coincidenza non è altro che una porta logica “and” che verrà ampiamente utilizzata nei calcolatori elettronici.

Circuito di coincidenza con tre triodi.

Sciami

Nel 1934 Bruno Rossi si accorge che alcuni contatori Geiger scattano simultaneamente nonostante siano collocati orizzontalmente e distanziati in posti diversi nel suo laboratorio. «Sembrerebbe che di quando in quando arrivino sugli strumenti gruppi di particelle molto estesi». Scopre così che le particelle arrivano a terra con un flusso intermittente a sciami simile al getto di una doccia (showers). Nel 1938 Pierre Auger tramite diversi esperimenti scopre che questi sciami possono essere decisamente molto estesi: si tratta della scoperta degli sciami atmosferici.

Rappresentazione di fantasia di uno sciame atmosferico.

Le curve di Rossi.
(vedere anche la pagina dedicata sugli esperimenti di assorbimento)

Tra il 1933 e il 1935 Giuseppe Occhialini con Bruno Rossi e Patrick Blackett eseguono esperimenti su una camera a nebbia. Utilizzano uno schermo di piombo posto sulla sommità e si aspettano che il numero di particelle rilevate diminuisca, ma con sorpresa scoprono la produzione di sciami da parte dei raggi cosmici che colpiscono il metallo. Questa è la dimostrazione di una teoria prevista da Bethe e Heitler: le particelle secondarie dei raggi cosmici (fotoni) attraversando i reticoli degli atomi del metallo producono coppie elettrone positrone che a loro volta generano fotoni i quali creano di nuovo coppie elettrone-positrone e così via, finché l’energia non si esaurisce. È la scoperta della cascata elettrofotonica oggi meglio definita elettromagnetica. Blackett riceverà il premio Nobel nel 1950 per aver dimostrato sperimentalmente il fenomeno della materializzazione di coppie elettrone-positrone da un singolo fotone.

Rossi indaga il fenomeno dell'assorbimento dei raggi cosmici nei metalli utilizzando una configurazione particolare di tubi GMT impilati e traccia dei grafici oggi noti come curve di Rossi.

Curva di Rossi, la radiazione nei metalli prima aumenta per interazione e poi diminuisce per assorbimento.

Il campo geomagnetico come "spettrometro"

(vedere anche la pagina sperimentale dedicata)

Bruno rossi fu uno dei primi a pensare che il campo magnetico della Terra sarebbe stato utile per indicare il tipo di particella primaria nel flusso dei raggi cosmici (quelle che dallo spazio colpiscono l'atmosfera), infatti a quei tempi non si sapeva se i raggi cosmici provenienti dal cosmo fossero prevalentemente elettroni, protoni o altro. Siccome il campo magnetico piega le traiettorie delle particelle cariche in base alla loro carica elettrica, Rossi quindi propose che un'asimmetria tra la direzione di provenienza - ovvero una misura precisa della loro provenienza angolare - poteva indicare la polarità della carica. Compton aveva già confermato la natura corpuscolare dei raggi cosmici e l'effetto di latitudine: all'equatore l'effetto del campo magnetico è maggiore che ai poli e l'intensità dei raggi cosmici minore.

Rossi tentò le misure di provenienza, oggi conosciute come misure est-ovest, ma da Arcetri non riuscì ad ottenere risultati chiari, quindi organizzò una spedizione in Eritrea, allora colonia italiana. Da qui ottenne evidenti risultati, i raggi cosmici provenivano maggiormente da ovest e quindi dovevano avere carica positiva (protoni), ma quando Rossi lasciò l'Eritrea, ricevette notizia di due osservazioni pubblicate sul Physical Review. Una era di Thomas H. Johnson, e l'altra era di Compton e del suo studente Luis Alvarez, i quali riportarono osservazioni a Città del Messico. Rossi rimase deluso, ma pubblicò i suoi risultati subito dopo il ritorno a Padova. Successivamente, Rossi con Frederick C. Chromey e Alvarez brevettarono il "Vertical Determination Device", Rossì definì il suo strumento con il il termine di telescopio per raggi cosmici, dato che il rivelatore vede un angolo di cielo, esattamente come un telescopio ottico.

Il telescopio per raggi cosmici di Rossi utilizzato in Eritrea era equipaggiato con due GMT.

Negli USA

Per via della guerra e della persecuzione razziale, Rossi si trasferì negli Stati Uniti dove proseguì la sua carriera partecipando a moltissimi esperimenti sui raggi cosmici, come quello della misura della vita media del muone. Rossi diede contributo a numerosi altri campi della fisica, compreso il progetto Manhattan.

---

Replica del telescopio di Rossi

Dai nostri laboratori è uscita anche una replica funzionante del telescopio per raggi cosmici. Il rivelatore utilizza due comuni valvole (triodi) collegate secondo lo schema di Rossi, il segnale della coincidenza viene interfacciato con una scheda elettronica "moderna" per l'accensione di LED e per la connessione con un computer in modo di poter effettuare eventuali conteggi di flusso, ma questo verrà trattato su una pagina dedicata.

Replica funzionante del telescopio di Bruno Rossi.

Reference:

Marco Arcani - Astroparticelle - in viaggio tra i raggi cosmici

Luisa Bonolis - Walther Bothe and Bruno Rossi: the birth and development of coincidence methods in cosmic-ray physics

https://en.wikipedia.org/wiki/Bruno_Rossi

 

---

To the top