Presentazione di G. Margagliotti , gennaio 2011

I Raggi Cosmici
G.V.Margagliotti
L. Lanceri
Dipartimento di Fisica
Università di Trieste
&
Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare (Sez. di Trieste)
26 Gennaio 2011
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Apri la tua mano e
rivolgila verso l’alto !
Nel tempo impiegato a leggere
questa frase circa 20 particelle
(per lo più muoni”) la avranno
attraversata!
I muoni sono creati dai ”Raggi Cosmici”,
particelle di vario tipo che dallo spazio
esterno entrano nella nostra atmosfera
e interagiscono con l’atmosfera stessa e
con la Terra
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1912: Scoperta dei ‘Raggi Cosmici’
•  Victor Hess volò con un pallone aerostatico a una
altezza di 5000 metri
•  Misurò l’entità della radiazione con un elettroscopio...
•  ... e trovò che questa aumentava con la quota del
pallone
•  Fu una grande
sorpresa perchè si
pensava che questa
radiazione fosse
generata da materiale
radioattivo presente
nella crosta terrestre
•  1926 Millikan introdusse il nome di ’cosmic rays’ (raggi cosmici)
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L’atomo come lo conosciamo oggi
[http://www.nobel.se/physics/educational/matter]
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Quarks
Particelle elementari
Elettroni
(senza struttura interna)
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Il mondo subatomico nel 1912
Radioattività
H. Becquerel
M. and P. Curie
Raggi cosmici
Victor Hess
Elettrone
J.J. Thomson
Protone
E. Rutherford
Stranezza !
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Raggi Cosmici: alcune domande
•  Cosa sono esattamente i Raggi Cosmici ?
•  Dove e come vengono prodotti ?
•  Come vengono studiati e cosa ci insegnano ?
•  Possiamo vederli con strumenti semplici ?
•  Possiamo fermarli ?
Sono oggetti isolati ?
•  Per saperne di più ! e un programma di semplici
ma interessanti misure !
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Cosa sono i Raggi Cosmici ?
•  Particelle di vario tipo
–  Particelle cariche
•  protoni, cioè nuclei di Idrogeno (H+), nuclei di Elio (He++),
nuclei più pesanti
•  elettroni e positroni
–  Particelle neutre
•  Fotoni, ( raggi gamma )
•  neutrini
•  Provengono dall’esterno dell’atmosfera terrestre !
–  Da dove ?
–  Dal Sole ? Dalla nostra Galassia ? Da altre Galassie ?
•  Per capirli ! appassionante lavoro da detective !
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I raggi cosmici colpiscono l’atmosfera
Sommità dell’atmosfera
(disegno non in scala)
~ 89% protoni H+
~ 9% nuclei He++
~ 1% altri nuclei
~ 1% elettroni e positroni
~ 40 km
~0.1% raggi gamma
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Sciami : cosa arriva al livello del mare?
Componente ”soffice” (~1/3)
elettroni, positroni e fotoni
Protoni e neutroni
Per lo più fermati
lungo la strada
Componente ”dura” (~2/3)
muoni
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Energia?
Quantità di raggi cosmici
•  1 eV = 1.6 x 10-19 Joules
1V
0V
e1 volt
(1 000 000 000 eV)
•  Energia cinetica media di
una molecola d’aria in
questa stanza:
" 0.03 eV " 5 x 10-21 J
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Energia
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Quantità di raggi cosmici
[LEP / CERN]
[Tevatron / Fermilab]
[LHC / CERN]
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Energia
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Da che direzione provengono?
•  Difficile dirlo, per le particelle
cariche (i campi magnetici
che incontrano avvicinandosi
alla Terra le deviano !!!)
Particelle
cariche
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•  I Raggi Cosmici primari
vengono da tutte le direzioni !
•  Le particelle che arrivano sulla
superficie terrestre provengono
principamente dalla direzione
verticale (radiale) (meno
atmosfera da attraversare)
Raggi
gamma
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Magnetosfera
Illustrazione pittorica dell’effetto di un brillamento solare sulla
magnetosfera terrestre
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Dove e come vengono prodotti ?
Le loro energie possono anche essere molto grandi !
(un raggio cosmico da 1.0!1020 eV Ү 16 J, equivale ad un oggetto di
massa = 50 g alla velocità di 25.3 m/s = 91 km/h)
Chi fornisce loro queste energie ?
•  Nel nostro sistema solare ? Dal Sole !?
•  Nella nostra Galassia ? Da cosa ?
•  In altre galassie ? Da cosa ?
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’Fiammata solare’
(solar flare)
Quantità di raggi cosmici
10-100 MeV
Raramente 1 GeV
Aurore Boreali
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Energia
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Quantità di raggi cosmici
esplosioni di
supernovae della
nostra galassia
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Energia
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Esplosioni di SuperNova
Una SuperNova indica la fine esplosiva
della vita di una stella massiva ( >10
masse solari); nella nostra galassia
circa una SN ogni 50 anni
Particelle (protoni e nuclei fabbricati
durante la vita della stella) vengono
espulsi e poi accelerati nell’onda d’urto
che si produce
Mentre i fotoni prodotti vanno dritti (*) e in circa
5000÷50000 anni escono dalla galassia, le
particelle cariche espulse restano intrappolate
dai campi magnetici anche per 10 milioni di anni.
[(*) Deviazione relativistica della luce]
NEBULOSA DEL GRANCHIO
Astronomi cinesi ne registrarono l’esplosione
nel 1054 d.c.
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Questo meccanismo puo’ spiegare gran parte
dello spettro di energia dei raggi cosmici (fino a
circa 1016 eV)
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Quantità di raggi cosmici
In una particella microscopica
è concentrata un’energia pari
quasi a quella di una pallina
da tennis dopo un discreto
servizio:
68 g @ 150 km/h
~ 59 Joules
~ 3.7!1020 eV
?
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Energia
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Sorgenti extra-galattiche?
•  Fenomeni studiati intensivamente: Active Galactic Nuclei (AGN)
con buchi neri supermassivi, Quasars, Gamma Ray Bursts !
A sinistra: immagine con radio-telescopio di NGC-4261 (dimensioni:
88000 anni-luce).
A destra: ingrandimento del centro (400 anni-luce) ottenuto con Hubble
Space Telescope. L’anello al centro e` interpretato come un buco nero
gigante con massa superiore a 109 masse solari.
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UHECR (Ultra-high-energy cosmic ray): sciami estesi
Uno dei più ampi progetti per lo
studio degli sciami estesi è il:
”Pierre Auger Observatory”
in Argentina
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Come si studiano e cosa ci dicono ?
Anni 1930-1950:
Strumenti: camere a nebbia,
emulsioni, contatori Geiger, etc.
Attualmente: sonde spaziali per
l’astrofisica e sistemi estesi al suolo
I raggi cosmici hanno permesso di
scoprire l’antimateria (positroni), i
muoni, i pioni, le particelle
”strane”...
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Possiamo vederli con strumenti semplici ?
Luce di fluorescenza
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Luce Cherenkov
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Possiamo vederli con strumenti “semplici” ?
Rivelatore a scintillatore plastico
letto da un fotomoltiplicatore
(fototubo)
scintillatore
plastico
guida di luce
guida di
luce
fototubo
partitore di
tensione
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Altre domande...
Utilizzando scintillatori con fototubi, possiamo ad esempio cercare di
capire cosa carratterizza i raggi cosmici che arrivano al suolo:
•  Quanti raggi cosmici ci attraversano ?
–  Contandoli in un intervallo di tempo! (ci vuole un po di elettronica !)
•  Se riusciamo a fermarli prima che ci attraversino ?
–  Contandoli in terrazzo o su un tetto, poi in un aula, o in cantina! o sotto un
blocco di materiale assorbitore (cemento, ferro, acqua, etc. !)
•  Se i raggi cosmici che osserviamo sono oggetti isolati ?
–  Con due contatori traslati lateralmente si può costruire un piccolo rivelatore
di sciami estesi e contare le coincidenze !
•  A che velocità viaggiano ?
–  Con due contatori uno di fronte all’altro, a distanza nota e misurando la
differenza temporale fra i segnali che essi danno, per uno stesso raggio
cosmico che li attraversa successivamente
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Altre domande...
•  Che carica e che massa hanno ?
–  L’utilizzo di campi magnetici noti che ne modifichino la traiettoria permette di
risalire al valore del rapporto (carica elettrica)/massa, oltre che al segno
della carica. Se per altre vie si può conoscere il valore assoluto della loro
carica, allora se ne deduce la conoscenza della loro massa.
•  Che energia cinetica hanno ?
–  Le quantità misurate nei modi precedentemente descritti permettono di
risalire alla loro energia cinetica.
•  Sono strutture stabili ? Quanto vivono ?
–  Arrestando la loro corsa in spessori di opportuni materiali che ne assorbono
tutta l’energia cinetica, se ne può osservare l’evoluzione e studiare quindi
l’eventuale presenza di prodotti del loro decadimento.
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Alcuni suggerimenti per saperne di più !
• 
In generale sui Raggi Cosmici:
–  http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray
–  http://it.wikipedia.org/wiki/Raggi_cosmici
–  http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
–  http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/cosmic_rays.html
–  http://images.google.com/images?client=safari&rls=en-us&q=cosmic+rays
–  http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/index.htm?mainRecord=http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/
contents/lngs_en/public/educational/physics/cosmic_rays/
–  http://ngdc.noaa.gov/stp/solar/cosmicrays.html
–  http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidrvo/viewdata.do?docname=CRI
• 
Ricerche dirette e indirette condotte da ricercatori del Dipartimento di Fisica e
nella Sezione INFN di Trieste:
–  http://physics.univ.trieste.it/Ricerca/settfns.php
–  http://physics.univ.trieste.it/Ricerca/fpesenzaa.php
–  http://agile.asdc.asi.it
–  http://www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
–  http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html
• 
Un libro quasi introvabile: B.Rossi, “I raggi cosmici”, Einaudi _ PbE (1971)
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Qualche informazione pratica
per effettuare misure
interessanti sui Raggi Cosmici
•  Contatori a scintillazione
•  Tubi fotomoltiplicatori
•  Un po di elettronica
•  Un possibile programma di misure
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Contatori a scintillazione
Scintillatori plastici
Fisica nucleare:
! fisica dello scotch
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Studenti di una scuola superiore assemblano in
classe il circuito elettronico di un rivelatore per
raggi cosmici, con la supervisione di ricercatori
del FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory,
Illinois, USA)
Photo Credit: Pote Pothongusan,
Cape Henry Collegiate School
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Tubi fotomoltiplicatori
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Un po di elettronica: discriminatori!
Ampiezza (V)
Tempo (ns)
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! e coincidenze
Ampiezze segnali
Asse del tempo
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Un ambizioso programma di misure !
•  Una buona configurazione: due scintillatori separati,
ciascuno “visto” da due fototubi contemporaneamente
•  Misure preliminari di messa a punto:
–  Trovare le tensioni di lavoro dei PM (“curve di tensione” e “pianerottolo” !)
–  Trovare le coincidenze (“curve di ritardo”)
–  Ottimizzare le soglie sui discriminatori (“rapporto s/n”)
•  Misure vere e proprie:
–  Conteggi (“telescopio”) in coincidenza per rivelare singole particelle, con
diversi angoli rispetto alla verticale e diverse accettanze d’angolo solido !
–  Con spessori di diversi materiali assorbitori opportunamente posizionati, si
possono studiare anche l’energia dei raggi cosmici e la loro vita media !
–  Conteggi in coincidenza per rivelare “sciami”!
–  Misure di tempo di volo !
•  Strumento di lavoro essenziale: il “libro di bordo” o “log-book”!
–  Scrivere tutto quello che si fa, che si osserva, che si misura, indicando data,
ora, caratteristiche della strumentazione, e ! nome di chi scrive !!!
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Cosa cercheremo di fare quest anno !
• 
Due scintillatori separati, ciascuno visto da un solo fototubo
• 
Misure preliminari di messa a punto:
–  Tensione di lavoro dei PM (Pianerottolo e osservazione segnali con oscilloscopio)
–  Coincidenze e curve di ritardo , aiutati dall’oscilloscopio !
–  Ottimizzazione soglie discriminatori (“rapporto s/n”)
• 
Misure vere e proprie:
–  Conteggi (telescopio) in coincidenza per rivelare particelle lungo la verticale e
inclinati a diversi angoli, e con diverse accettanze di angolo solido ! (verifica della
casualità di arrivo dei raggi cosmici)
–  Conteggi in coincidenza per rivelare piccoli sciami
–  Se rimane tempo ! misure di tempi di volo con curve di ritardo per dedurre la
velocità dei raggi cosmici rivelati
• 
Redazione log-book ; scrittura, con l’aiuto degli insegnanti, di una
relazione finale che illustri quanto fatto, i risultati ottenuti e un’analisi di
cosa da questi si può dedurre sui “raggi cosmici” !
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Qualcos altro !
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Angolo
solido
L3 > L2 > L1
aumentando L diminuisce
l angolo solido, quindi
anche il numero di
particelle contate in uno
stesso intervallo di tempo
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L=v#t
conoscendo L e misurando
t si ottiene v, e si scopre
che spesso v " c, cioè
sono particelle veloci quasi
quanto la luce, " sono
particelle relativistiche!
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Effetto Cherenkov
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