Nell’agosto del 1912, il fisico austriaco Victor Hess fece uno storico volo in pallone che aprì una nuova finestra sulla materia nell’universo. Salendo a 5300 metri, misurò il tasso di ionizzazione dell’atmosfera e scoprì che era aumentato di circa tre volte rispetto al livello del mare. Ha concluso che la radiazione penetrante entrava nell’atmosfera dall’alto. Aveva scoperto i raggi cosmici.
Queste particelle ad alta energia che arrivano dallo spazio esterno sono principalmente (89%) protoni – nuclei di idrogeno, l’elemento più leggero e più comune nell’universo – ma includono anche nuclei di elio (10%) e nuclei più pesanti (1%), fino all’uranio. Quando arrivano sulla Terra, si scontrano con i nuclei degli atomi nell’atmosfera superiore, creando altre particelle, principalmente pioni. I pioni carichi possono decadere rapidamente, emettendo particelle chiamate muoni. A differenza dei pioni, questi non interagiscono fortemente con la materia e possono viaggiare attraverso l’atmosfera per penetrare sotto terra. La velocità di arrivo dei muoni sulla superficie della Terra è tale che circa uno al secondo attraversa un volume grande come la testa di una persona.
Un nuovo mondo di particelle
Gli studi sui raggi cosmici hanno aperto la porta a un mondo di particelle oltre i confini dell’atomo: la prima particella di antimateria, il positrone (l’antielettrone) fu scoperta nel 1932, il muone nel 1937, seguito dal pione, il kaon e molti altri. Fino all’avvento degli acceleratori di particelle ad alta energia all’inizio degli anni ’50, questa radiazione naturale era l’unico modo per studiare il crescente “zoo” di particelle. Infatti, quando il CERN fu fondato nel 1954, la sua convenzione includeva i raggi cosmici nella lista degli interessi scientifici. Ma anche se gli acceleratori sono diventati il miglior terreno di caccia per le nuove particelle, la fisica dei raggi cosmici è ancora ampiamente studiata.
Le energie dei raggi cosmici primari vanno da circa 1 GeV – l’energia di un acceleratore di particelle relativamente piccolo – fino a 108 TeV, molto più alta dell’energia del fascio del Large Hadron Collider. La velocità con cui queste particelle arrivano in cima all’atmosfera diminuisce con l’aumentare dell’energia, da circa 10 000 per metro quadrato al secondo a 1 GeV a meno di uno per chilometro quadrato al secolo per le particelle di più alta energia. I raggi cosmici ad altissima energia generano enormi docce di fino a 10 miliardi di particelle secondarie o più, che possono essere raccolte dai rivelatori di particelle quando sono sparse su aree grandi fino a 20 chilometri quadrati sulla superficie della Terra.
Acceleratori cosmici
Come fanno i raggi cosmici a raggiungere energie così elevate? Dove sono gli acceleratori naturali? I raggi cosmici a più bassa energia arrivano dal Sole in un flusso di particelle cariche noto come il vento solare, ma individuare l’origine delle particelle a più alta energia è difficile perché si attorcigliano e girano nei campi magnetici dello spazio interstellare.
Ci sono arrivati studiando i raggi gamma ad alta energia dallo spazio esterno. Questi sono molto meno dei raggi cosmici carichi, ma essendo elettricamente neutri non sono influenzati dai campi magnetici. Generano docce di particelle secondarie che possono essere rilevate sulla Terra e che puntano indietro verso il punto di origine dei raggi gamma. Le fonti dei raggi gamma di più alta energia nella nostra galassia, la Via Lattea, includono i resti di supernovae, come la famosa Nebulosa del Granchio; le onde d’urto di queste esplosioni stellari sono state a lungo proposte come possibili acceleratori naturali. Altre fonti di raggi gamma ad altissima energia si trovano in altre galassie, dove oggetti esotici come i buchi neri supermassicci possono guidare l’accelerazione. C’è anche la prova che i raggi cosmici carichi di più alta energia hanno anche origini simili in altre galassie.
Esperimenti sui raggi cosmici al CERN
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