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Tutti (o quasi) i metodi per vedere i raggi cosmici

 

I raggi cosmici sono particelle subatomiche, invisibili a occhio nudo e talmente piccole da risultare invisibili a qualsiasi microscopio. Si possono però in qualche modo "vedere" le tracce che essi lasciano quando attraversano la materia. Gli sciami di raggi cosmici atmosferici producono diversi tipi di particelle, comunque quelle che arrivano fino a livello del mare e che possono essere osservate sono principalmente muoni, neutroni, elettroni e fotoni.

In questa pagina evidenziamo i metodi più utilizzati, anche a livello professionale e gli strumenti realizzabili o reperibili in commercio per lo studio dei raggi cosmici; tuttavia non ci soffermeremo troppo sulle spiegazioni tecniche, dato che questo occuperebbe troppo spazio, inoltre in rete esistono diverse fonti che illustrano i vari principi di funzionamento.

L'elettroscopio

Strumento principe per la misura di radiazione ionizzante e per la scoperta dei raggi cosmici, l'elettroscopio è lo strumento più semplice e molto efficace per mostrare gli effetti delle particelle libere in aria. Anche con una semplice realizzazione casalinga o scolastica il funzionamento è garantito. Quando l'elettroscopio viene caricato, la scarica spontanea è dovuta al passaggio di particelle cariche come i raggi cosmici, se si ha a disposizione del materiale radioattivo si può far notare coma la scarica avvenga molto più rapidamente, avvicinando tale materiale all'elettroscopio (vedere anche l'elettroscopio di Hess).

 

La camera a nebbia (Cloud Chamber)

Questo strumento ideato da Wilson per studiare la formazione delle nuvole è stato fondamentale per la scoperta del positrone e del muone ed è stato presto adottato come strumento didattico perchè è tuttora l'unico apparecchio in grado di farci letteralmente vedere il passaggio di particelle in un mezzo che è appunto la nebbia che si produce al suo interno.

Si tratta di una specie di vasca in cui viene prodotto del vapore sovrassaturo, le particelle che attraversano la vasca ionizzano le molecole all'interno e le goccioline di acqua si allineano lungo il percorso di ionizzazione.

Esistono due metodi per produrre il vapore sovrassaturo: il metodo di Wilson a espansione e il metodo a diffusione o "del ghiaccio secco", con una variante (in dimensioni ridotte) ottenibile tramite le celle di Peltier.

La camera a nebbia a espansione può essere acquistata da fornitori di materiale scolastico, il passaggio dei raggi cosmici è ben visibile anche se a volte è necessario un prolungato utilizzo prima di assistere a qualche evento spettacolare; per questo motivo è stato ideato il funzionamento continuo a diffusione.

La camera a nebbia a diffusione è relativamente semplice da costruire, rimane invece più difficoltoso procurare il ghiaccio secco.

Esempi di camere a nebbia didattiche a diffusione

 

La camera a scintille (Spark Chamber)

La camera a scintille che è stata molto utilizzata per fare ricerca tra gli anni trenta e gli anni settanta, oggi viene impiegata principalmente a scopo dimostrativo. La spark chamber consiste in una specie di acquario riempito di un gas nobile - di solito elio - in cui sono impilate delle lastre di metallo e poste a una certa distanza una dall'altra. Applicando una tensione elevata alle lastre di metallo, al passaggio delle particelle il gas viene ionizzato e si produce una scarica elettrica lungo il percorso della particella. Louis Alvarez nel 1969, utilizzò uno di questi strumenti per cercare camere nascoste nella piramide di Chephren in Egitto. Non trovò però nessun segnale (eccesso di muoni) che indicasse la presenza di spazi vuoti.

 


Drift tubes (tubi a deriva)

I tubi a deriva, di sezione circolare, esagonale o rettangolare e con filo centrale sono molto comuni per rivelare muoni cosmici e "terrestri". Solitamente si riempiono con un gas di deriva "standard", una miscela di argon e biossido di carbonio[1]. La miscela di gas può essere modificata per rendere il rivelatore sensibile a una certa soglia di energie.

I tubi a deriva di ATLAS (CERN)

Disponendo molti tubi in un arrangiamento a strati, si possono realizzare dei rivelatori molto grandi. Quando una particella elettricamente carica - come un muone - attraversa il tubo, la ionizzazione strappa elettroni dal gas che trovandosi sotto un potenziale elettrico derivano verso il filo positivo centrale.

La posizione del muone incidente sull'asse perpendicolare al filo si calcola moltiplicando il tempo di arrivo degli elettroni per lo spazio percorso, per l'asse parallelo al filo, la posizione può essere determinata da un rivelatore "accessorio" o da altri tubi posizionati perpendicolarmente.


Tracciatore di muoni (cortesia Los Alamos Laboratories)

Attualmente i rivelatori di questo tipo, chiamati anche "tracciatori di muoni" sono molto impiegati nelle radiografie a muoni o mu-ray.

 

Le camere multiwire o di Charpak (mwpc)

Sotto l'etichetta di camere proporzionali a più fili, si riassumono tutti quei rivelatori gassosi in cui diversi fili disposti su di un piano condividono un volume di gas. Tutti i rivelatori di questo tipo sono impiegati a livello professionale nel campo della fisica delle particelle elementari.

La progettazione concettuale delle camere a più fili è mostrata nella figura seguente. I fili dell'anodo sono disposti in strati planari distanziati di 1-2 mm. La distanza minima è limitata dalle forze elettrostatiche, proprio come nelle successive camere a deriva. Se i fili vengono letti individualmente, la loro distanza di separazione determina la risoluzione spaziale, ma i vincoli di costo possono costringere l'utente a far corrispondere più fili su un unico canale di lettura. Lo strato di fili è racchiuso tra due catodi e lo spazio è riempito con una miscela di gas appropriata per generare elettroni primari e amplificare il segnale vicino ai fili dell'anodo, proprio come con i tubi a deriva. Le camere planari a più fili sono state utilizzate da DESY come inseguitori interni (ad esempio, HERA-B) ma trovano anche implementazione nei sistemi di muoni al CERN, ad esempio in LHCb e nel sistema CMS forward.

A differenza di altri apparecchi simili, le camere a più fili utilizzano un catodo segmentato. In questo modo è possibile estrarre un punto spaziale 2D ad alta risoluzione mantenendo al contempo un numero ragionevole di canali di lettura. La combinazione delle informazioni delle strisce catodiche e dei cavi anodici fornisce un punto spaziale 3D. I loro principali vantaggi sono la loro capacità di gestire occupazioni più grandi rispetto ai tubi a deriva e di essere piuttosto insensibili al campo magnetico a causa delle loro brevi distanze di deriva[1].

 

Le camere a deriva (drift chamber)

Sviluppate negli anni settanta, come per i tubi a deriva, possono stimare la posizione di una traccia sfruttando il tempo di arrivo degli elettroni sull'anodo, se è noto il tempo di arrivo della particella, per questo come si vede dall'immagine sono solitamente accoppiate con contatori a scintillazione. L'aspetto importante qui è la forma, dove molti fili (100-1000) sono disposti concentricamente all'interno di un cilindro pieno di gas. Tali camere a deriva sono usate ad esempio anche nei grossi rivelatori (negli esperimenti di fisica delle particelle) come camere di localizzazione centrale[1].

 

 

RPC o MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers)

Le camere RPC, come le camere a scintilla forniscono una buona ampiezza di segnale pur essendo relativamente semplici nella loro costruzione. È una delle poche implementazioni di rivelatori gassosi senza fili anodici. Un fenditura sottile (gap) riempita di gas è racchiusa tra piastre altamente resistive (e.g. bachelite) coperte con un rivestimento di grafite conduttivo all'esterno. Il movimento della carica nel gap riempito di gas induce un segnale all'esterno delle piastre che viene successivamente prelevato tramite strisce di lettura esterne (o pad), che solitamente si incrociano e forniscono quindi una lettura bidimensionale. Un punto spaziale tridimensionale può essere fornito da una seconda stazione RPC interna. Dato il piccolo spessore (distanza molto breve tra gli elettrodi), il tempo di risposta è breve, nell'ordine di 4 ns, pertanto le RPC rappresentano una buona scelta per rivelatori ad alto tasso di interazione, così come avviene per tutti e quattro gli esperimenti di LHC [1].

 

 

Lastre fotografiche

La fotografia, dopo l'elettroscopio è stato il secondo strumento scientifico per studiare le particelle elementari dei raggi cosmici. Esistono delle lastre fotografiche definite "emulsioni nucleari", appositamente costruite per lo studio delle interazioni tra particelle. Le emulsioni nucleari sono un tipo speciale di pellicole fotografiche. I materiali utilizzati sono in genere micro cristalli (dimensioni μm) di alogenuro d'argento (principalmente bromuro d'argento) incorporati nella gelatina. Le particelle ionizzanti producono una perturbazione latente lungo il loro percorso che dopo lo sviluppo diventa visibile come tracce di grani d'argento. Le tracce visibili al microscopio hanno una grande risoluzione angolare e per questo vengono ancora impiegate. La Ilford ad esempio ha in catalogo alcuni prodotti, sebbene le emulsioni fotografiche siano ancora largamente utilizzate, rimane un tipo di impiego dedicato ai soli addetti ai lavori.

 

Rivelatori a incisione

Alcuni materiali plastici sono utilizzati per rivelare principalmente neutroni, protoni, particelle alfa e ioni pesanti. In questo caso l'interazione è "meccanica" poichè le particelle danneggiano il materiale che attraversano. Le tracce delle particelle vengono poi rese visibili tramite erosione chimica o elettrochimica.

Il materiale più utilizzato è il PADC (polyallyl-diglycol carbonate) conosciuto anche con il nome commerciale di CR-39, l'impiego tipico è quello per la misura del gas radon, comunque il CR39 è stato e viene tuttora utilizzato anche per esperimenti sui raggi cosmici ad alta quota e in alcuni dosimetri a bordo della stazione spaziale internazionale ISS. Un nostro esperimento è attualmente in corso utilizzando il CR-39, per cui ne parleremo ancora prossimamente.

Particelle alfa incise nel PADC

 

Semiconduttori

Per rivelare le particelle elementari, i semiconduttori hanno ampiamente e di fatto sostituito le camere a bolle e a nebbia; nel campo dei raggi cosmici tuttavia il loro impiego non è molto indicato, o limitato a ruolo accessorio.

Negli ultimi anni però i tubi fotomoltiplicatori classici sono stati affiancati dai tubi fotomoltiplicatori al silicio e grazie a questo sono nati interessanti progetti. Come vedremo nei prossimi paragrafi, alcuni esperimenti possono essere fatti utilizzando anche semiconduttori di utilizzo comune, come smartphones e fotocamere digitali.

 

Webcam, fotocamere digitali e smartphone

Le particelle che attraversano i semiconduttori, producono delle tracce, idealmente come quelle prodotte nelle camere a nebbia o nelle lastre fotografiche. Una novità degli anni recenti è l'utilizzo di smartphones fotocamere e webcam per scovare le tracce lasciate dai muoni atmosferici.

Per fotocamere e webcam bisogna oscurare l'obiettivo, utilizzare un intervallometro per scattare in sequenza un numero elevato di immagini e in seguito le immagini ottenute vanno analizzate - una ad una - nella speranza di trovare le tracce desiderate. Uno dei grossi problemi è il basso numero di eventi visualizzabili dovuto alla scarsa efficienza del "rivelatore" (il sensore ) e alla ridotta superficie di rivelazione, un altro problema è la difficoltà di discernere il rumore elettronico dalle tracce vere e proprie. Da testimonianze ottenute sembra che questa attività abbia maggiore successo in alta montagna dove il flusso di raggi cosmici è molto superiore.

Con lo smartphone l'esperimento è analogo al precedente con la differenza che sono state prodotte alcune apposite applicazioni per questo scopo come abbiamo già discusso nella pagina dedicata.

Videoclip: diversi frame ripresi con una webcam in cui appare solamente il rumore termico.

Due frame a confronto, il puntino rosso in basso forse rappresenta il passaggio di una particella.


I tubi al neon

Particelle cariche di determinate energie che attraversano alcuni gas producono il fenomeno della fluorescenza, un bagliore luminoso prodotto dall'eccitazione elettronica delle molecole. Questo è lo stesso meccanismo di formazione delle aurore polari; gli sciami di raggi cosmici in atmosfera possono produrre lo stesso effetto, infatti alcuni osservatori (i.e. Auger) sono equipaggiati con appositi telescopi per osservare questo tipo di interazione.

Negli anni passati, qualcuno al CERN propose un esperimento educativo con le lampade al neon. Le lampade fluorescenti si comportano allo stesso modo dell'atmosfera terrestre, attraversate da particelle la loro "atmosfera" si può illuminare. Questo esperimento è già stato trattato su queste pagine con ottimi risultati ma purtroppo - come già descritto - le nuove miscele di gas utilizzate nelle moderne lampade rende molto difficile ripetere tale tipo di attività, il recente video testimonia comunque la possibilità di ottenere un interessante esperimento scolastico.

 

Il Contatore di Geiger e Müller

Il tubo inventato da Geiger e Müller o GMT fa parte dei sensori a gas. Una particella ionizzante che attraversa il tubo, determina la ionizzazione del gas contenuto. Al tubo GMT è applicata una alto voltaggio che produce lo spostamento degli ioni generati dalla particelle incidente. Nel tubo GMT questa spostamento viene amplificato dalle successive collisioni degli ioni finché si produce una cascata di elettroni che genera un impulso elettrico ai capi del tubo stesso. In pratica il GMT si comporta come un interruttore che viene chiuso ogni volta che una particella incide sul tubo. I classici contatori di radioattività, chiamati appunto contatori di Geiger e Müller possono essere impiegati per sentire e contare il passaggio dei raggi cosmici - se nell'ambiente circostante non sono presenti sostanze o materiali radioattivi - il conteggio dello strumento sarà in buona parte dovuto al passaggio dei raggi cosmici (statisticamente circa l'11%).

 

Il telescopio per raggi cosmici a GMT

Per misurare i raggi cosmici ed escludere la radioattività ambientale si usano più sensori sovrapposti e si contano solo le particelle che attraversano entrambi i sensori. Questo è il cosiddetto metodo delle coincidenze, il termine "telescopio per raggi cosmici" fu ideato da Bruno Rossi che perfezionò proprio questo sistema di misura. Un rivelatore per raggi cosmici a GMT pertanto dovrebbe essere composto da almeno due tubi sovrapposti. Un argomento questo ampiamente trattato su queste pagine con i vari modelli AMD costruiti. I telescopi per raggi cosmici a GMT sono semplici, affidabili e con una buona efficienza, il tasso di particelle registrato è proporzionale alla dimensioni dei tubi che generalmente è piccola.

 

 

Il telescopio per raggi cosmici a PMT

Analogamente al sistema di sensori multipli per i GMT, vengono impiegati i PMT (Photo Multiplier Tubes) accoppiati a materiale scintillante. I raggi cosmici attraversando il materiale scintillante producono interazioni che si traducono in emissione di fotoni (luce) che vengono percepiti dai fotomoltiplicatori. Il vantaggio principale è che con questo metodo si possono costruire rivelatori anche molto grandi, la superficie di rivelazione è infatti determinata dalla dimensione delle lastre di materiale (plastico) scintillante. L'unico limite è il portafoglio. Il costo di questi apparecchi in effetti ne limita abbastanza la loro diffusione in ambito didattico, tuttavia alcune università in Europa organizzano dei workshop estivi destinati proprio alla costruzione di questi strumenti.

 

Il telescopio per raggi cosmici a SiPM

Negli ultimi anni sono stati sviluppati i fotomoltiplicatori al silicio SiPM (Silicon PhotoMultiplier), questi sono la versione a stato solido dei PMT e sono costruiti con matrici di 'fotodiodi a valanga' collegati in parallelo. Anche in questo caso la spesa è proporzionale alle caratteristiche e alle dimensioni. La rapida diffusione dei SiPM ha però favorito la diminuzione dei costi, in questo modo iniziano a proliferare interessanti dispositivi che permettono di rivelare e studiare i raggi cosmici.

ArduSiPM

Uno di questi è ArduSiPM, ideato e costruito da Valerio Bocci (ricercatore INFN); dal nome del dispositivo si può subito dedurre che lo strumento utilizza il microcontrollore Arduino per registrare i dati raccolti dal sensore al silicio SiPM.

 


Il principio di funzionamento di ArduSiPM e un interessante grafico coi dati ottenuto durante un volo aereo.

 

Cosmic Watch

Cosmic Watch è in pratica un clone del precedente ArduSipm ed è stato proposto dal MIT in USA, con la promessa di poter costruirsi un rivelatore in proprio per la modica spesa di 100 dollari. Verificando questa dichiarazione, in realtà ci siamo accorti che si arriva a questa spesa solo se se ne ordinano 100 pezzi contemporaneamente!

 

 

MUON HUNTER

Un altro recente progetto che utilizza tubi GMT è Muon Hunter, una serie di soluzioni a microprocessori per misurare il flusso dei raggi cosmici.

 

CAEN

Per concludere questa carrellata, bisogna ricordare che anche i produttori di materiale per laboratori scolastici hanno in catalogo qualche rivelatore di raggi cosmici, alcuni utilizzano i kit più classici con GMT, tra i più all'avanguardia segnaliamo la ditta CAEN che può fornire dei veri e propri laboratori per la fisica delle particelle elementari, ivi compresi i raggi cosmici.

 

 

 

Marco Arcani

 

[1] Claus Grupen and Irène Buvat, Handbook of Particle Detection and Imaging - Springer


 

 

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