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Cosa sono le astroparticelle e i raggi cosmici?

Astroparticelle o Raggi Cosmici:

La fisica delle astroparticelle (in gergo scientifico: astroparticle physics) è un moderno campo di ricerca che studia le particelle elementari di origine cosmica in relazione a processi cosmici, astrofisici e geofisici. In realtà questa materia è in rapida evoluzione proprio perché coinvolge un grande numero di discipline tecniche e scientifiche.

Col termine astroparticelle generalmente si intendono quelle particelle subatomiche, ovvero "frammenti" di atomi - storicamente chiamati raggi cosmici - che provengono da vari corpi celesti fino a raggiungere anche il nostro pianeta. I raggi cosmici accelerati dalle sorgenti nello spazio si propagano a velocità relativistiche e perciò posseggono energie enormi.

Questi frammenti atomici sono più precisamente nuclei di atomi privi di elettroni, ovvero protoni o nucleoni (protoni+neutroni).
La collisione tra le particelle cosmiche (chiamate primarie) e gli atomi dell’atmosfera terrestre (azoto e ossigeno) agisce esattamente come la collisione tra particelle nei collisori artificiali per esperimenti nucleari, ovvero causa una grande esplosione energetica con produzione di numerose altre particelle (chiamate secondarie), di diversa natura, tra cui compaiono mesoni, barioni, muoni, elettroni e fotoni gamma. Dato che la collisione avviene prevalentemente ad un’altitudine tra i 20.000 e i 30.000 m è facile immaginare che le particelle sono presenti maggiormente alle alte quote, per poi diminuire progressivamente al diminuire della quota. Il flusso di particelle in atmosfera si propaga dall’alto verso il basso a cono, si può immaginare come il cono di una a doccia. La maggiore quantità di particelle ionizzanti e quindi di radioattività si trova tra 11.000-16.000 metri, proprio nella fascia quota seguita dai normali voli aerei commerciali. L’atmosfera per nostra fortuna assorbe la maggior parte di questa radiazione cosmica e al suolo (livello del mare) la composizione principale di particelle è data dai muoni, elettroni e da pochissime particelle pesanti tra cui i neutroni.

Gli acceleratori cosmici

La natura delle sorgenti ad oggi non è del tutto chiara e questo è uno dei motivi per cui si studiano queste particelle; ci sono buoni indizi che indicano le esplosioni stellari (come le supernove) come principali sorgenti di raggi cosmici e altri possibili candidati sono i resti di supernova ovvero: pulsar - stelle di neutroni - magnetar. Altri oggetti, alcuni dei quali più ipotetici potrebbero essere ottimi acceleratori di astroparticelle, questi sono: buchi neri, quasars, blazars e AGN (Active Galaxy Nuclei).

Restando nel nostro vicinato, il Sole durante fasi di elevata attività può emettere particelle ad alta energia che raggiungono la Terra. Per differenziare le particelle solari da quelle provenienti dalla Galassia o extra-galattiche si utilizzano le sigle SCR (Solar Cosmic Rays) e GCR (Galactic Cosmic Rays) rispettivamente.

Composizione:

Le astroparticelle (o raggi cosmici) quindi si dividono in particelle primarie e secondarie, le primarie sono quelle che viaggiando dalle sorgenti arrivano fino al nostro pianeta, le quali entrando in atmosfera collidono con le molecole dell’aria; le particelle secondarie sono quelle che vengono generate dalla collisione delle primarie con gli atomi dell'atmosfera terrestre. Questa collisione infatti genera uno sciame di particelle che si propaga fino a raggiungere il suolo terrestre. Tra le particelle più abbondanti che piovono a terra e che letteralmente ci attraversano ogni giorno ci sono i muoni.

Astroparticelle primarie:

Protoni

Nuclei di varia natura

Elettroni e positroni

Fotoni ad alta frequenza o raggi gamma

Neutrini

 

Astroparticelle secondarie:

Iperoni

Mesoni (Pi, K...)

Nucleoni

Neutroni

Muoni

Elettroni/positroni

Fotoni

Neutrini

 

 

 

Neutrini

Un discorso a parte meriterebbero i neutrini, in quanto sono di gran lunga le particelle più numerose. I neutrini sono prodotti dal Sole (da tutte le stelle) durante i fenomeni di fusione nucleare e dal decadimento di altre particelle in atmosfera, ma quelli che gli astrofisici attendono sono quelli di alta energia prodotti durante le esplosioni di supernove, tuttavia avendo massa quasi nulla, non vengono facilmente individuati.

 

Spettro energetico dei primari:

Il livello di energia delle particelle primarie in relazione al loro flusso è mostrato nel grafico seguente:

lo spettro dei raggi cosmici primari

Quello che il grafico evidenzia è che la quantità delle particelle è inversamente proporzionale al livello di energia, quindi particelle estremamente energetiche sono meno frequenti di particelle meno energetiche. Ad esempio protoni con energia di 1018 eV (1 EeV) sono piuttosto rare e hanno una frequenza di 1 per km2 all'anno, mentre i protoni più frequenti trasportano energie intorno a 1 TeV (1012 eV) e si presentano circa ogni secondo per m2, possono sembrare poche, ma calcolate la superficie della terra in km quadrati e vi renderete conto che invece il flusso a tali energie è piuttosto continuo.

La seconda cosa che emerge dal grafico è che energie così alte non possono essere raggiunte dagli attuali acceleratori di particelle sulla terra (si vedano Tevatron e LHC), quindi nel cosmo sono presenti acceleratori naturali molto più potenti e questo è un altro dei motivi per cui si studiano le astroparticelle.

 

Fisiologia:

Quello che succede quando un protone (o un nucleo) colpisce un atomo in atmosfera è ben evidenziato dallo schema seguente:

schema di propagazione dei raggi cosmici

Come vedete da un singolo protone emergono una quantità incredibile di particelle, mentre elettroni e pioni si “estinguono”in alta quota i muoni insieme ai neutrini raggiungono il suolo.

 

Flusso:

Quello che avviene a terra è una pioggia a intermittenza composta di raggi cosmici secondari, che è sommariamente rappresentata nella seguente animazione:

rappresentazione artistica della radiazione cosmica

 

Il video seguente prodotto dall'Università di Chicago mostra un'altra collisione simulata di un protone con energia di 1 TeV:

 

 

Il Muone:

Si studiano i muoni perchè la loro presenza è direttamente proporzionale a particelle più pesanti provenienti da sorgenti cosmiche nello spazio, sono le uniche che raggiungono il terreno in grandi quantità (quindi facilmente rilevabili) e sono importanti anche per la relazione che hanno con i neutrini. I muoni grazie alla loro forza di penetrazione oggi ci permettono di fare radiografie a vulcani e piramidi.

Il muone μ- è una particella che ha carica elettrica e spin ½ come l’elettrone, ma pesa circa 200 volte di più, è altamente energetica e penetrante ma essendo carica interagisce solo debolmente (interazione debole) ed è influenzabile dai campi elettrici e magnetici.

La cosa interessante da notare è che in atmosfera viene prodotta materia e antimateria quasi in uguale quantità, possiamo quindi trovare sia elettroni negativi che elettroni positivi (positroni), questo vale anche per i loro cugini muoni, sia negativi μ-, sia positivi μ+ e lo stesso per qualsiasi altra particella.


Differenza di massa tra elettrone muone e protone: il disegno sottolinea la differenza di massa come 'dimensione' ma in realtà le particelle hanno dimensioni reali molto simili tra di loro nonostante le masse siano molto diverse.

 

Il muone è una particella di seconda generazione perciò è instabile, ovvero ha una vita breve dopodichè si trasforma e il tipico decadimento (trasformazione) è quello in un elettrone e due neutrini, un anti-neutrino elettronico ed un neutrino μ, per questo i muoni sono importanti anche per lo studio dei neutrini.

 

Muoni e relatività

La vita media dei muoni è di circa 2 milionesimi di secondo, ma viaggiando a velocità relativistiche (vicine a quelle della luce), - secondo la teoria della relatività speciale - il tempo della loro esistenza si dilata, conseguentemente riescono a raggiungere il suolo prima di decadere.

 

 

Questa animazione (cliccarci sopra più volte per farla partire e visualizzare le varie fasi) meriterebbe una lunga dissertazione sulla relatività, mi limito a fornire una breve spiegazione:

1) Primo click: il pendolo è lo strumento migliore per evidenziare il trascorrere del tempo, in funzione di intervalli. immaginiamo un orologio che ha un intervallo di 2 μs (microsecondi)

2) secondo click: Dal punto di vista di noi terrestri quando "vediamo" un muone e sappiamo che viaggia quasi alla velocità della luce possiamo calcolare che al massimo potrà percorrere circa 600 m prima di decadere, quindi non potrebbe raggiungere la superficie terrestre.

3) terzo click: infatti occorrerebbero parecchie oscillazione del pendolo (almeno una cinquantina) per poter raggiungere il suolo e trascorrerebbero circa 100μs.

4) quarto click: La velocità del muone è circa c, ovvero la velocità della luce, ma la relatività ci insegna che per chi si muove alla velocità della luce lo spazio-tempo si deforma e il tempo rallenta (formula di Lorentz in alto a dx), quindi l'intervallo di tempo aumenta.

5) quinto click: Dal punto di vista dei muoni (immaginateli a bordo di una navicella spaziale) il tempo quindi rallenta o se volete lo spazio si accorcia, (ricordo che nella relatività spazio-tempo sono un unica entità); il pendolo scandisce l'intervallo di 2 microsecondi e dal punto di vista dei muoni se guardassero fuori dal finestrino vedrebbero il pendolo lì fermo di fianco a loro, mentre dal nostro punto di vista il pendolo oscilla una cinquantina di volte prima che i muoni raggiungono il suolo.

 

Rilevamento:

Lo sviluppo di tecnologie di rivelazione è uno dei campi più attivi nella fisica delle astroparticelle. Nel mondo sono attivi numerosi osservatori, potete trovare i collegamenti nelle sezioni dalla terra e dallo spazio, potete anche visitare la pagina dedicata alla didattica e ai vari rivelatori di muoni didattici come il rivelatore AMD5.


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Il fenomeno dei raggi cosmici coinvolge numerose discipline scientifiche, dalla meteorologia alla paleoclimatologia, dall’astronomia, alla fisica delle particelle elementari, fino alla medicina.
Per questo motivo, nel mondo sono stati costruiti centinaia di laboratori e osservatori astronomici; tali infrastrutture sono adibite allo studio di queste astroparticelle, attraverso i più moderni rivelatori e tramite esperimenti d'avanguardia.


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