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East West effect - Effetto EST-OVEST dei raggi cosmici

Il flusso dei raggi cosmici è costituito prevalentemente da protoni che sono particelle con carica elettrica positiva(+1). Come per tutte le particelle cariche, i protoni sono deviati dai campi magnetici ubbidendo all'elettromagnetismo di Maxwell; il loro percorso segue quindi la "regola della mano destra" (vedi box a fianco). Essendo influenzati dallo stesso campo galattico, il loro tragitto segue un andamento a spirale ed in prossimità di campi magneti intensi, la curvatura della spirale aumenta (a seconda dell'energia della particella). Quando entrano nel campo magnetico terrestre i protoni che colpiscono l'atmosfera terrestre sono costretti ad una traiettoria da Ovest verso Est.

Le particelle generate dalla collisione, (spallazione e scattering) con gli atomi dell'atmosfera tendenzialmente conservano il vettore del momento angolare (a seconda del tipo di interazione) e della quantità di moto, per principio di conservazione, quindi anche misurando la direzione delle particelle secondarie si ha indicazione della provenienza di quelle primarie.

Negli anni trenta non si era sicuri se le particelle primarie fossero cariche o neutre, Bruno Rossi aveva ipotizzato che se fossero state cariche si doveva trovare un'asimmetria tra il flusso di quelle provenienti da est rispetto a quelle provenienti da ovest. Però per via dell'effetto di latitudine, dipendente sempre dal campo geomagnetico, dall'Italia non riuscì a dimostrare la sua ipotesi. La prima conferma venne da Alvarez e Johnson da Città del Messico. In seguito Rossi durante una spedizione in Eritrea confermò personalmente la sua tesi (vedi video qui sotto).

Per ripercorrere le tracce di Bruno Rossi abbiamo voluto provare a fare qualche esperimento analogo con i rivelatori a tubi Geiger-Müller (GMT) AMD4, 5 e 6 da diverse località, come sempre con una impostazione didattica.

I GMT impiegati negli strumenti hanno dimensioni molto più piccole rispetto a quelli usati ad esempio da B. Rossi; evidentemente più la superficie che rivela le particelle è maggiore, maggiori sono i risultati ottenibili. Però abbiamo un vantaggio rispetto al 1930, cioè grazie ai computer possiamo registrare una quantità infinita di dati ed affidarci alla statistica.

I dati esposti dove non specificato sono sempre in cpm (count per minute).

tubi Geiger
Confronti dimensionali tra i tubi di Rossi e quelli degli strumenti utilizzati.


1° test - AMD4 in laboratorio: 45°N 8,9°E @ 333 m

Rivelatore AMD4

La prima prova fatta consiste in dati raccolti in una giornata prima verso est e poi verso ovest. Il campionamento dei dati è di 60 secondi per un totale di 1440 valori circa. Il risultato di queste prove purtroppo (e come prevedibile) non ha dato l'esito atteso:

Da EST: 2,741643454 ±1,671310788

Da OVEST: 2,264623955 ±1,509819968

I flusso di muoni contati è stato addirittura superiore da Est.

Il passo successivo più logico è stato quello di aumentare il numero di letture, passando dalle 1440 alle 10.080, il campionamento di una settimana.


2° test AMD5 - Osservatorio di Tradate: 45,7°N 8,55E @ 350 m

Rivelatore Amd5

Per questo test è stato utilizzato lo strumento AMD5 posizionato all'osservatorio astronomico di Tradate. Il problema dell'analisi dei dati su lunga durata è che bisognerebbe tenere in considerazione parallelamente al flusso di particelle, l'attività solare e la pressione atmosferica le quali possono modulare i muoni atmosferici influenzando i risultati. Per quanto riguarda i valori atmosferici, si è ipotizzato che nel corso di una settimana gli effetti siano trascurabili. L'attività solare è invece stata tenuta sotto costante sorveglianza monitorando l'attività di CELIAS (Charge, Element, and Isotope Analysis System) a bordo della sonda SOHO, e a scopo di verifica è stata fatta una media dei risultati di celias nel periodo considerato.

Premessa sui grafici: Anche se i risultati est-ovest nei grafici sono sovrapposti, non vuol dire che siano stati ottenuti negli stessi giorni, la sovrapposizione è solamente formale, con un solo strumento non è possibile misurare sia quelli da est che quelli da ovest quindi l'approccio è stato di tipo stocastico.

Come si vede dal grafico sotto, la prevalenza maggiore da ovest non è sempre confermata, la media dei dati alla fine della registrazione ci dà:

3,292772641 cpm da Est contro 3,323069101 cpm da Ovest, ma come si vede dal grafico alcune volte i valori da Est superano quelli da Ovest, in sostanza non è certo un sigma 5!

Il confronto col vento solare nei giorni presi in considerazione non fa pensare che abbia influito sulle rivelazioni, in percentuale si ottiene una differenza dello 0.9%.


3° test - AMD6 in laboratorio: 45°N 8,9°E @ 333 m

Il rivelatore AMD6 utilizza dei tubi GM che presentano una superficie doppia rispetto a quelli dell'AMD5, la media dei risultati dopo 5 giorni di misure è la seguente:

19,73585949 cpm da Ovest e 17,2764686 cpm da Est. Anche se l'asimmetria è stata evidente (12,5%) per alcuni giorni, in seguito tuttavia non ha dato sempre gli stessi valori; bisognerebbe aumentare ulteriormente la statistica, al momento si può considerare come asimmetria un cauto 2%.
Anche in questo caso il confronto col vento solare nei giorni presi in considerazione non evidenzia che abbia influito sui dati del rivelatore.


4° test - AMD7 in laboratorio: 45°N 8,9°E @ 333 m

Vedere l'articolo completo qui a fianco.

Altre misure fuori porta (e non):

Durante qualche scampagnata sono state fatte alcune prove della durata di qualche decina di minuti, da altitudini differenti.


5° test - AMD4 Alagna: 45,86°N 7,9E @ 2033 m

Da EST: 5,875 ±0,125

Da OVEST: 5,625 ±0,125

Apparentemente non si evidenzia distinzione tra i due flussi.


Breve video relativo alle misure di Alagna.


6° test -AMD4 Monte San Giorgio (CH): 45.9°N 8,9E @ 1105 m

Da EST: 5 ±1,0

Da OVEST: 6,625 ±0,625

Se considerassimo per buona questa misura avremmo un'asimmetria del 24,5% da ovest, ma la statistica è quasi nulla.


vista del lago di Lugano dal M.te S.Giorgio


7° test -AMD4 Tenerife (SP):

Prove in Hotel 28°N -16.6E, @ 20 m

Media di una serie di 5 campionamenti da 4 minuti:

Da EST: 3,95 ±0,69

Da OVEST: 4,55 ±0,9

Nonostante il flusso da ovest sia evidente (13%), altre misure di qualche ora avevano mostrato risultati meno attendibili, altra cosa invece la misura ricavata dal parco del Teide oltre i 2000 metri:

Prove dal Teide 28,19°N -16,67E @ 2100 m

Da EST: 4,12 ±0,87

Da OVEST: 5,25 ±0,01

La cosa interessante è che a questa altitudine ogni misura ha dato sempre risultati maggiori da Ovest rispetto a quelli da Est (sigma 5!). In totale l'asimmetria risulta essere del 21,52%.

 


C'è anche una misura in aereo! (vedi anche l'effetto latitudine)

AMD4 circa 35° N @ 10.000 m

da Est: 15.75 cpm

da Ovest: 15.75 cpm

L'uguaglianza esatta potrebbe dipendere dalla assoluta isotropicità del flusso di particelle ad alta quota.

Considerazioni finali:

Alle nostre latitudini (45° N) l'asimmetria non è evidente ma si è visto che utilizzando una discreta superficie di rivelazione e molta statistica si ottiene un valore misurabile, nel nostro caso (a seconda degli strumenti) il rapporto tra l'intensità da ovest rispetto a quella da est è intorno a 0.9-2 con una differenza del 1-2%.

A 28° N (Canarie) abbiamo osservato che l'asimmetria non è evidente a livello del mare ma è invece certa solo sopra i 2000 m di quota, con un rapporto di 1.27 e differenza del 21.52%, ossia un eccesso del 27% per i raggi cosmici provenienti da Ovest rispetto a quelli provenienti da Est.

Bruno Rossi a 11° N (geomagnetico) secondo il fonogramma riportato dal video qui sopra aveva registrato un rapporto di 1.16. Secondo la letteratura a me nota, aveva ottenuto invece un rapporto con un decimale almeno doppio, ovvero con un'eccesso del 26% per i raggi cosmici provenienti da ovest, a 2370 m di quota.


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Tratto dal libro AstroParticelle

Telescopio per raggi cosmici di B. Rossi
Il telescopio a tubi Geiger di Bruno Rossi utilizzato in Eritrea.

 

 



La geometria dei tubi Geiger nel rivelatore AMD5 determina l'angolo di campo del telescopio che risulta essere di 18°.


 

Il presente articolo in versione pdf:

Effetto est-ovest raggi cosmici


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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.

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