Raggi cosmici carichi: dai primi passi della fisica delle particelle

elementari agli esperimenti attualmente in corso

Andrea Chiavassa

Universita` degli Studi di Torino

• Raggi cosmici sono particelle che colpiscono l’atmosfera terrestre proveniendo dallo spazio.

• La scoperta di questa particelle avviene nel 1912 al termine di studi e misure originati da osservazioni iniziali di Coulomb del 1785. – 1785 scarica spontanea di un

oscilloscopio – 1879 velocita` di scarica

diminuisce se viene diminuita la pressione dell’aria

– 1896 scoperta radiattivita` naturale

Miglioramenti tecnologici: il contributo di Padre Wulf

• Progetto`un nuovo

elettroscopio. Sostitui` le

foglie metalliche con due

sottili lamine di vetro

silicato

• Misuro` la radiazione sulla

cima della Tour Eiffel

la radiazione misurata era

molto superiore a quanto

atteso

• Nel 1909 viene pubblicato un lavoro riassuntivo delle misure allora esistenti discutendo tre possibili origini di questa radiazione – Radiazione extraterrestre, probabilmente generata dal

sole – Radioattivita` della crosta terrestre – Radioattivita` proveniente dall’atmosfera

• Nel 1911 Schrödinger scrisse che : “la terza sorgente […] e`completamente ipotetica e deve essere introdotta, solo se correttamente giustificata, nel caso in cui le prime due ipotesi fossero assolutamente insufficienti a spiegare le misure sperimentali.”

• Due ulteriori test sperimentali furono proposti.

Misure di radiazione: – Durante voli su pallone aereostatici – Sottacqua

Misure sotto il livello dell’acqua • Domenico Pacini, Universita` di

Bari, esegui` questi studi.

• Pacini comincio` i suoi studi dal problema della ionizzazione dell’aria diventando un esperto nell’uso degli elettroscopi.

L’esperimento del 1911 • Nel Giugno 1911 Pacini esegui` una serie di misure (della

durata complessiva di 7 giorni) nel Mare Tirreno (di fronte a Livorno)

• Egli misuro` il tempo di scarica di un elettroscopio posto:

– Al livello del mare (300 m dalla riva)

• Diminuzione media (8 misure) 12.6 Volt/ora equivalente a 11.0 0.5 ioni/(sec cm3)

– 3 m sotto il livello del mare (profondita` del mare 7m)

• Diminuzione media (7 misure) 10.3 Volt/ora equivalente a 8.9 0.2 ioni/(sec cm3)

• La differenza, 2.1 ioni/(sec cm3), fu attribuita da Pacini ad una radiazione indipendente da quella originata dalla crosta terrestre

Risultati pubblicati ne: “Il Nuovo Cimento” Febbraio 1912

• “…... La spiegazione e` quindi che, quando lo strumento e` posto sul fondo del mare, a causa dell’assorbimento dell’acqua e del livello minimo di radiattivita` presente nel mare, avvenga un assorbimento della radiazione originata dall’esterno. […..] deve esistere nell’atmosfera una apprezzabile sorgente di ionizzazione, con potere di penetrazione, indipendente dall’azione diretta di sostanze radioattive presenti nel suolo.”

• Pacini cosi` mostro`, per la prima volta, che i risultati

sperimentali non potevano essere spiegati dalla radioattivita` presente nella crosta terrestre.

• Pacini non fu`pero` in grado di escludere un origine atmosferica della radiazione (anche citando i calcoli di Eve e mostrando che questo contributo era trascurabile).

Voli scientifici su mongolfiera • I voli su mongolfiera furono utilizzati

per scopi scientifici fin dal lor inizio.

– 30 Nov 1784, primo volo scientifico a

Londra con un barometro, un termometro,

un igrometro ed un elettrometro da parte di:

J.Jeffries (USA) & Blanchard

– 24 Ago1804, Gay-Lussac & Biot (Francia)

4000 m su un pallone ad idrogeno

– 16 Set 1804, Gay-Lussac raggiunse quota

7016 m, per studiare le propieta`dell’aria in

funzione della pressione e della

temperatura

Misure su pallone della radiazione penetrante

• Bergwitz 1908

• Gockel 1908-1911

Altitude (km)

20

10

1 2

Ion

pai

rs/(

cm3s)

3

Prime misure di Hess

Settimo e conclusivo volo

• 7 Agosto 1912

• ~60 km da Aussig a Pieslow

• Altezza massima 5200 m

Risultati di Hess i) Debole diminuzione appena sopra il livello del

suolo

ii) Tra 1000 e 2000m, debole aumento

iii) Tra 3000 e 4000m, crescita del 50% rispetto al

livello del suolo

iv) Tra 4000 e 5000m, la radiazione aumenta di piu`

del 100% rispetto al livello del suolo

• “I risultatati di queste osservazioni sono piu` credibilmente spiegati assumendo che una radiazione altamente penetrante entri nella nostra atmosfera dall’alto, e quindi produca negli strati inferiori dell’atmosfera parte della ionizzazione osservata in rivelatori isolati.”

• Possibili spiegazioni del successo: – Accurata conoscenza degli elettrscopi dalla calibrazione

– Miglioramento degli elettroscopi

– Misure indipendenti con 3 elettroscopi: 2 , 1

– Studi sistematici durante il giorno e la notte

• Hess pubblico` (1913) un articolo ne: Physikalische Zeitschrift, chiamando questa radiazione “Höhenstralung” (radiazione dall’alto)

Le misure di Hess vengono successivamente confermate da parte di Kolhörster con una serie di voli con i quali raggiunge la quota di ~9000m

Al termine della prima guerra mondiale riprendono gli studi sui raggi cosmici. La

domanda principale diventa: i raggi cosmici sono elettricamente carichi o neutri?

• A causa del suo potere

penetrante questa

radiazione era

supposta essere

composta da raggi

• Il flusso di raggi cosmici fu misurato a diverse latitudini geomagnetiche. Aumento con la latitudine della radiazione.

Non puo` essere spiegato da raggi

Nascita della Fisica delle Particelle

• 1933, Anderson scopri` l’antimateria usando

una camera a nebbia immersa in un campo

magnetico

– Una camera a nebbia contiene un gas supersaturo

con vapor acqueo. In presenza di una particella

carica, il vapore condensa in goccioline

• La striscia nera nel mezzo e` un piatto di

piombo, che rallenta le particelle. Il raggio di

curvatura della traccia sopra il piatto e` piu`

piccolo che sotto la particella sta viaggiando

verso l’alto (poiche` ha perso energia)

• Dalla direzione in cui la traccia curva si puo`

dedurre che la particella ha carica positiva.

• La massa puo` essere dedotta dalla lunghezza

della traccia superiore- un protone si sarebbe

fermato in una distanza minore positrone

Premio Nobel 1936: Hess & Anderson

Hess and Anderson vinsero il premio Nobel nel 1936. Hess fu proposto da Clay,

Compton: – È` giunto il tempo […] in cui

possiamo dire che i cosiddetti raggi cosmici hanno origine molto lontano dalla terra […] e che l’uso di questa radiazione ci ha portato a risultati di un importanza tale che possono essere considerati una scoperta di importanza eccezionale. [...] Io penso, che sia corretto affermare che Hess fu il primo ad osservare l’aumento della radiazione all’aumentare dell’altitutidine; ed egli fu certamente il primo ad attribuire con sicurezza questo aumento della ionizzazione ad una radiazione extra-terrestre

18

• 1933 – Blackett & Occhialini

– Produzione di coppie

– ( e+ + e-)

• Yukawa predisse l’esistenza di una particella di massa ~200 me che mediava le interazioni forti.

• 1935 – Anderson & Neddermayer

– Scoperta di una particella con potere penetrante maggiore di quelle gia` note e piu` leggere dei protoni “Mesotron” identificate con le particelle di Yukawa.

– Rossi misuro` il tempo di decadimento di questa particella (~2 s) e che i prodotti del suo decadimento sono: un elettrone + una particella neutra ( )

• Questo alto potere penetrante e il tempo di decadimento misurato contraddicevano le ipotesi di Yukawa.

• Siamo in presenza di una nuova particella:

• 1947. Powell, Occhialini e Lattes scoperta del la particella ipotizzata da Yukawa

• Emulsioni nucleari esposte

ad alta quota (Chacaltaya,

5500 m)

• Rochester & Butler 1947

• Scoperta dei Kaoni Neutri

• Cosiddette “Particelle Strane”

Assorbitore di piombo

• La sperimentazione in

fisica delle particelle

continua agli acceleratori

di particelle

• La sperimentazione sui

raggi cosmici si sposta

sugli aspetti astrofisici.

– Spettro

– Anisotropie

– Composizione Chimica

Misure dirette:

palloni,

satelliti

Misure indirette

da terra

G.F. 5000 cm2 sr Exposure > 3 yrs

h/e = 10-6 ECAL +TRD combined

Anti Matter Spectrometer on ISS

Misure dirette: apparati di piccola superficie con i

quali si misurano direttamente la carica elettrica e

l’energia di ogni singola particella.

Esperimenti limitati da statistica che possono

accumulare e dalla massa degli esperimenti che

posso trasportare con un pallone.

CREAM

Sciami Estesi

Atmosferici

EAS

Misure Indirette

Sviluppo di un EAS e segnali che arrivano al livello di osservazione

• Caratteristiche generali degli apparati:

– Grande area

– Maggior tempo di misura possible

– Stabilita`

– Minima manutenzione

KASCADE ( Karlsruhe Shower Core and Array Detector )

G. Di Sciascio Vulcano Workshop 2012 - May 30, 2012 34

Longitude 90° 31’ 50” East

Latitude 30° 06’ 38” North

90 Km North from Lhasa (Tibet)

Tibet ASγ ARGO

The Yangbajing Cosmic Ray Laboratory

4300 m above the sea level

~ 600 g/cm2

The Auger Observatory Area ≈ 3000 km2 Aperture ≈ 7400 km2 sr

Cosa abbiamo imparato finora • I raggi cosmici di energia fino ad energia di circa 1017 eV sono

di origine galattica

• Le esplosioni di SuperNovae sono la sorgente piu` probabile dei raggi cosmici

• Pulsars e SuperNovae sono sorgenti di di alta energia (~10 TeV)

• I raggi cosmici vengono accelerati (acquistano energia) per interazioni successive con “onde d’urto” presenti nel mezzo intergalattico

• I raggi cosmici non viaggiano direttamente dalla sorgente fino a terra. Il tempo medio che trascorrono nella galassia e` ~107 anni

• Il ginocchio dello spettro primario e` dovuto agli elementi leggeri

• Gli elementi pesanti presentano un ginocchio a energia superiore

• Lo spettro dei raggi cosmici si estende almeno fino a ~1020 eV

Cosa stiamo ancora studiando

• A quale energia avviene la transizione dai raggi cosmici galattici a quelli extra-galattici cioe` qual’e` la massima energia raggiungibile da sorgenti galattiche?

• Quali sono le sorgenti in grado di accelerare i raggi cosmici fino a 1020 eV

• Lo spettro dei raggi cosmici ha un energia massima

– Massima energia delle sorgenti

– Perdite di energia nella propagazione