STAGE DI FISICA 11-16 Marzo 2013

TAVOLO 7 “RAGGI COSMICI”

Paolo Tamagno(1), Luca Torchio(2), Andrea Chiavassa(3)

con il contributo di Lorenzo Meriano, Fausto Patrone e Valerio Pattaro

(1)Liceo Scientifico Curie di Pinerolo (2)Liceo Scientifico Galilei di Ciriè

(3)Dipartimento di Fisica Generale dell’Università di Torino

1. I muoni nei raggi cosmici

2. Semplici misure con un rivelatore Geiger

3. La “cosmic box” Approfondimenti e integrazioni

- Che cosa sono i raggi cosmici

- I raggi cosmici in Italia

- Scheda di uso dei moduli elettronici “NIM”

Radioattività La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non stabili, si trasformano in altri emettendo particelle. Alla fine del 1800 Henry Bequerel e i coniugi Pierre e Marie Curie scoprirono che alcuni minerali, contenenti uranio e radio,avevano la proprietà di emettere particelle in grado di impressionare delle lastre fotografiche poste nelle loro vicinanze. Per questa loro proprietà, elementi come l’uranio, il radio e il polonio vennero denominati “attivi” e il fenomeno di emissione di particelle venne detto radioattività. Da allora sono stati identificati quasi 2500 isotopi differenti e di essi solo una piccola percentuale, circa 280, sono stabili. L'instabilità è dovuta a un eccesso di protoni o neutroni, con conseguente trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata da emissione di particelle. Il tempo medio che occorre aspettare per avere tale trasformazione può essere estremamente breve o molto lungo. Esso viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni. Un altro tempo caratteristico di un radioisotopo è il “tempo di dimezzamento”, ovvero il tempo necessario affinché la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione spontanea. Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni. Decadimento Alfa: il nucleo emette una particella alfa, cioè un nucleo di elio composto da due protoni e due neutroni, e si trasforma in un nucleo diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Un esempio è il decadimento dell’uranio-238 in torio-234. Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta Decadimento Beta: il nucleo emette un elettrone e un antineutrino di tipo elettronico e si trasforma in un nucleo con numero atomico (Z + 1) ma stesso numero di massa A. Un esempio è il decadimento del Cobalto-60 in Nichel-60 Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio). Decadimento Gamma: il nucleo non si trasforma ma passa semplicemente in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone gamma. Tale radiazione accompagna solitamente una particella alfa o beta. Le radiazioni gamma sono molto penetranti. I radioisotopi possono essere di origine antropogenica (se prodotti in laboratorio o nei reattori nucleari) o di origine naturale. Radioattività naturale I radioisotopi naturali hanno avuto origine al centro delle stelle, tramite reazioni nucleari o durante le esplosioni di Supernovae. Alcuni di questi nuclei, come il potassio-40, il torio-232 e l’uranio-235/238 sono attivi ancora oggi, in quanto il loro tempo di dimezzamento è di vari miliardi di anni. La misura dell’abbondanza residua di questi isotopi sulla Terra permette di risalire all’età del nostro pianeta, che è calcolata in 4.5 miliardi di anni. Altri nuclei radioattivi si sono formati in seguito alle interazioni dei raggi cosmici con alcuni elementi. Si parla allora di nuclei di origine cosmogenica. Alcuni esempi sono il carbonio-14, prodotto dall’interazione dei raggi cosmici con l’azoto dell’atmosfera. La radioattività nell’aria è dovuta alla presenza del Radon. Questo elemento viene prodotto dal decadimento dell’uranio e del torio, che si trovano in moltissimi materiali, soprattutto nelle rocce. Essendo gassoso, il radon può abbandonare le rocce e si diffonde nell’aria. In 1 m3 di aria in un edificio chiuso avvengono in media 30 becquerel (Bq) (decadimenti al secondo)

Equilibri radioattivi Caso generale: radionuclide X1 che decade formando un altro radionuclide X2, che a sua volta decade formando un terzo radionuclide X3 , etc ( X1 → X2 → X3 → ……→ XN ) Si può dimostrare che in una catena radioattiva nella quale il capostipite ha una vita media molto più lunga dei figli, allora dopo un certo tempo le attività di padre e figli diventano uguali (equilibrio secolare). Il Radon presente nell'aria è prodotto dalla catena dell'Uranio238 (vedi figura a destra). Esso è prodotto anche nella catena del Torio232 e dell'Uranio235, ma si tratta di isotopi con tempo di dimezzamento molto breve e decadono prima di poter essere inspirati.

Il radon è pericoloso perché: • è un gas nobile → diffonde facilmente senza interagire con altre sostanze • viene respirato e decade α → può provocare il cancro ai polmoni. Oggi il radon è di gran lunga la maggior causa di esposizione alle radiazioni ionizzanti.

Monitoraggio della radioattività ambientale

Scheda di rilevamento dati 1. Come usare il contatore Geiger

a) Osservare attentamente il rivelatore. Aiutandosi con le figure, individuare - la finestra di lettura: riporta il numero di conteggi. Per scegliere le unità, in cui si vuole che

i conteggi siano espressi, occorre usare il “bottone di selezione”: la modalità da utilizzare è quella di conteggi totali, “TOT”, come in figura;

- la levetta di posizione: in posizione “OFF” il rivelatore è spento e i conteggi vengono azzerati; per avviare i conteggi portarla in posizione “2” e far partire contemporaneamente il contasecondi;

- il bottone di selezione: pigiando il bottone, si attivano le varie unità in cui esprimere i conteggi; premere più volte finché nella finestra di lettura compare la modalità “TOT”, come in figura;

- la finestra di ingresso: la parte sensibile del rivelatore è posta dietro questa finestra. b) Per eseguire la misura, collocare il contatore in un posto preciso e non muoverlo per tutta la

durata della misura. Per avviare la registrazione dei conteggi, spostare la levetta di posizione sul “2” e contemporaneamente far partire il contasecondi. Pigiare poi il bottone di selezione fino a quando nella finestra di lettura compare la modalità “TOT”. Si consiglia di lasciar andare avanti i conteggi per una decina di minuti.

rivelatore visto dall’alto

rivelatore visto dal lato frontale

bottone di selezione

indicatore di posizione

conteggi totali

finestra d’ingresso

2. Conteggi: unità di misura e incertezza a) L’unità di misura dell’attività è il “bequerel” (simbolo Bq), che è il numero di conteggi per

secondo (maggiori informazioni sulle unità di misura della radioattività sono date in appendice). Per calcolare l’attività occorre quindi dividere il numero di conteggi effettuati per la durata dell’intervallo di tempo espressa in secondi. Se, ad esempio, contando per 5 minuti si sono registrati 95 conteggi, i conteggi medi in 1s sono 95/300=0,32: questo valore è una misura dell’attività. Come si vede, il numero medio di conteggi e quindi anche l’attività non è in generale un numero intero: infatti non rappresenta un numero effettivamente registrato dal rivelatore (che può essere solo intero!), ma un numero ottenuto facendo la media sui conteggi registrati in molti secondi (in questo esempio i secondi di registrazione sono 300).

b) Correzione per la risposta del rivelatore. Volendo confrontare fra di loro i dati ottenuti dai

diversi rivelatori, occorre correggere per la diversa soglia di sensibilità di ciascuno. Ogni rivelatore infatti, per piccole diversità nella composizione della sostanza sensibile o per piccole differenze nell’elettronica di controllo, ha una propria soglia energia depositata al passaggio di una particella ionizzante, al di sotto della quale il passaggio non viene più rivelato e quindi non scatta il conteggio. I conteggi di tutti i rivelatori sono quindi stati confrontati in eguali condizioni ed è così stata determinata una costante di calibrazione per la quale va moltiplicata la media ottenuta al punto precedente al fine di poter confrontare le diverse misure.

c) L’incertezza sul numero di conteggi è data dalla radice quadrata del numero stesso. Ad

esempio, se si sono registrati 164 conteggi, l’incertezza è pari a 164 =12,8, che si può arrotondare a 13. Il numero N di conteggi si esprime perciò come: N = 164 ± 13

d) Come propagare l’incertezza. Supponete di aver ottenuto il conteggio N sopra riportato

misurando per 9 minuti. Se volete calcolare il conteggio medio N1s in un intervallo di tempo di un secondo, dovete dividere N9m per 9*60=540. Quanto varrà l’incertezza su N1s? E’ semplice: basterà dividere anche l’incertezza per 540. Inoltre, se la costante di calibrazione è diversa da 1, dovrete moltiplicare anche l’incertezza per la costante di calibrazione. Ricordate di arrotondare il valore del risultato usando un po’

3. Misura della radiazione di fondo in due diversi posti

a) Prima posizione

- breve descrizione della locazione ……………………………………………………. conteggi ……… ± …….. ; intervallo di tempo .…… min = ……. s

- attività ……… ± ……. Bq

b) Seconda posizione - breve descrizione della locazione ……………………………………………………

conteggi ……… ± …….. ; intervallo di tempo .…… min = ……. s - attività ……… ± ……. Bq

c) Confronto fra le misure fatte nelle due posizioni

- trovate un criterio che vi permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è “significativa”,

- suggerite altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni tratte in base al criterio sopra descritto.

2

4. Misura dell’attività di un “campione” di materiale da esaminare

a) Disporre il rivelatore con la finestra di ingresso vicino al campione da esaminare e avviare il conteggio. Lasciar andare avanti il conteggio per una decina di minuti badando a non spostare né il rivelatore né il campione. Mentre il conteggio prosegue, registrare anche, ogni 10 secondi, tutti i valori intermedi utilizzando la tabella predisposta per l’attività 5, in modo da poter riutilizzare i dati per l’analisi temporale proposta in quella attività. Alla fine calcolare l’attività totale registrata, che è la somma dell’attività del campione più quella “ambientale” dovuta alla radiazione di fondo. Per ottenere la sola attività del campione, occorre sottrarre il valore di quest’ultima, usando il valore determinato nelle misure precedenti (fare la media dei due valori) .

campione di sabbia

conteggi totali

- conteggi ……… ± …….. ; intervallo di tempo .…… min = …… s

- attività totale ……… ± ……. Bq

- attività del campione ……… ± ……. Bq b) Ripetere la misura e i calcoli dopo aver allontanato il rivelatore di una ventina di

centimetri dal campione.

- conteggi ……… ± …….. ; intervallo di tempo .…… min = …… s

- attività totale ……… ± ……. Bq

- attività del campione ……… ± ……. Bq

c) Confronto fra le due misure

- trovate un criterio che vi permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è “significativa”,

- suggerite altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni

tratte in base al criterio sopra descritto.

3

Unità di misura dosimetriche

Sono state introdotte per valutare gli effetti sul un corpo dell’assorbimento di energia dovuta alle radiazioni di origine nucleare (“ionizzanti”).

Unità di misura: - “attività”Æ bequerel (Bq): numero di particelle ionizzanti che colpisce il corpo; l’unità storica,

peraltro ancora usata, è il curie (Ci), che è pari a 3,7⋅1010 Bq - “dose assorbita”Æ gray (Gy): energia depositata per kg di peso; 1Gy = 1J/kg - “dose equivalente”Æ sievert (Sv): dose assorbita per il “fattore di qualità” della radiazione (alto

per neutroni e nuclei pesanti, =1 per elettroni e gamma); - “esposizione”Æ roengten (R): è una unità di misura storica, peraltro ancora usata, ed è la carica

elettrica, di ambo i segni, che si sviluppa nello sciame prodotto al passaggio in aria della particella ionizzante (1R=2,58⋅1010 C/kg).

Tipicamente - la radiazione cosmica è circa 0,3 mSv/anno al livello del mare (circa il doppio a 1000 m) - i radionuclidi presenti nel corpo umano producono una dose di circa 0,3 mSv/anno - la radioattività ambientale varia molto da zona a zona

Radioattività ambientale in alcune città italiane (mSv/anno)

Ancona 0.85 Napoli 2.13 Aosta 0.49 Palermo 0.90 Bari 0.83 Perugia 0.86 Bologna 0.80 Potenza 1.31 Cagliari 0.86 Reggio Cal. 1.28 Campobasso 0.69 Roma 1.58 Firenze 0.77 Torino 0.86 Genova 0.75 Trento 0.84 L’Aquila 0.82 Trieste 0.76 Milano 0.82 Venezia 0.77

Limite raccomandato di esposizione annua: 15 mSv/anno

Dose letale: ~ 3 Gy

4

Misura di raggi cosmici con la “cosmic box” Scopo della misura

Misurare il numero di passaggi in “coincidenza” attraverso la “cosmic box”, formata da due scintillatori piani messi parallelamente a una distanza variabile, spostabili facilmente in diverse zone

La “cosmic box”

È un rivelatore di particelle ionizzanti formato da due lastre di scintillatore di 15 x 15 cm2, parallele fra di loro, poste a una distanza che può essere variata fino a un massimo di 28 cm. La luce prodotta in ciascun scintillatore dal passaggio di una particella ionizzante è convogliata da guide ottiche verso una camera a CCD. I segnali in uscita dai due CCD sono inviati a una piastra centrale che contiene l’elettronica con la logica di conteggio. Selezionando il solo scintillatore superiore (selettore di sinistra) oppure il solo scintillatore inferiore (selettore di destra) si hanno i rispettivi conteggi singoli, selezionandoli entrambi si contano le coincidenze fra i due scintillatori, cioè il passaggio di una particella attraverso entrambi gli scintillatori. I pulsanti a destra di “start”, “stop” e “reset” fanno partire il conteggio, lo arrestano o riazzerano il contatore.

Osservazioni e misure

1. La catena di rivelazione

scintillatore - Esaminare come funziona la catena elettronica

che permette di convertire il segnale lasciato nei singoli scintillatori dal passaggio della particella ionizzante; riconoscere e individuare i diversi

elettronica controllo CCD

selettore down

stop

elementi: i due scintillatori, l’elettronica associata al singolo scintillatore, i cavi che portano i segnali alla scheda elettronica centrale;

- provare a eseguire conteggi per un certo

selettore up

conteggi

start 0001456

reset

elettronica

intervallo di tempo attivando solo lo scintillatore “up” (interruttore di sinistra) oppure quello “down” (interruttore di destra”) e confrontare i conteggi;

- attivare il conteggio in coincidenza dei due scintillatori e discutere il valore ottenuto,

elettronica

controllo CCD

scintillatore

controllo display

- calcolare il numero N di particelle che hanno attraversato entrambi gli scintillatori in un secondo con relativa incertezza;

- ripetere il conteggio registrando il numero N e la durata in secondi; - confrontare le due misure di coincidenze fra di loro e valutare se le differenze sono

statisticamente significative.

1

2. Conteggio delle coincidenze in funzione dell’angolo di orientazione Ripetere la misura delle coincidenze inclinando (con precauzione) di 30° circa la cosmic box nella direzione NORD/SUD e poi EST/OVEST. Registrare i dati e discutere le differenze trovate.

3. Conteggio delle coincidenze a diverse profondità Misurare le coincidenze portando la cosmic box a diversi piani dell’edificio, posizionandola sempre verticalmente. Registrare i dati e discutere le differenze trovate. Mettendo insieme tutti i dati registrati, costruire un grafico di attenuazione del flusso di particelle in funzione della profondità e ricavate l’effetto medio di schermo del singolo piano dell’edificio.

2

COSA SONO I RAGGI COSMICI ?

La Terra è costantemente bombardata da particelle provenienti dallo spazio esterno chiamati raggi cosmici primari. Essi colpiscono la parte alta dell’atmosfera dando origine a sciami di particelle che piovono giù su di noi ad ogni istante. In tutto il mondo diverse centinaia di queste particelle passano ogni metro quadrato ogni secondo. Esse attraversano anche i nostri corpi, ma sono completamente innocue perché la nostra atmosfera ci protegge dalle particelle di più alta energia che potrebbero causare danni biologici.

La composizione primaria dei raggi cosmici va dai fotoni (privi di massa e di carica) ai neutrini, agli elettroni e protoni, fino ad arrivare ai nuclei di elementi pesanti come il piombo.

Le sorgenti della maggior parte dei raggi cosmici che raggiungono la Terra sono ben note ed includono il Sole, le supernove, le stelle di neutroni, i buchi neri e i nuclei galattici attivi. Per i più energetici però non conosciamo bene la loro provenienza. L’unica cosa che sembra sicura è che sembrano provenire dall’esterno della nostra galassia.

L’Universo è simile ad un gigantesco acceleratore di particelle, che riesce a spingerle ad energie molto maggiori di quelle che possiamo raggiungere nei nostri laboratori sulla Terra. Tali energie sono di grande interesse per i fisici. Infatti fino al 1950 i raggi cosmici sono stati una delle più importanti scoperte dei fisici delle particelle. Ma i raggi cosmici sono imprevedibili, e con l’avvento degli acceleratori di particelle la maggior parte della ricerca sulla fisica delle particelle fu trasferita nei laboratori tipo il CERN.

Ai giorni nostri lo scopo principale dello studio dei raggi cosmici risiede nella comprensione delle loro sorgenti, il meccanismo di accelerazione e di propagazione attraverso la galassia. I fisici inoltre sperano di scoprire nuove particelle nelle interazioni dei raggi cosmici di alta energia con l’atmosfera, particelle che avrebbero una massa troppo grande per essere create nei nostri laboratori.

Uno scopo specifico è per esempio quello di identificare le particelle che costituiscono la misteriosa materia oscura dell’Universo. Noi infatti sappiamo che la materia visibile in tutte le lunghezze d’onda rappresenta solo il 5-10% di tutta la massa presente nell’Universo. Questo significa che non conosciamo la natura del 90% di tutta la materia che ci circonda! Gli studi sui raggi cosmici hanno indicato che i neutrini potrebbero avere una piccola massa. Se così fosse, essi potrebbero spiegare una frazione significativa della materia oscura perché ce ne sarebbero tantissimi.

Ancora un’altra finalità della fisica fatta con i raggi cosmici consiste nell’investigare l’osservazione che l’Universo è apparentemente costituito tutto da materia e non vi è traccia di antimateria. Se scoprissimo la presenza nei raggi cosmici anche di un solo anti-atomo di ossigeno per esempio, ciò cambierebbe drasticamente questa nostra visione del mondo perché vorrebbe dire che da qualche parte nell’Universo esisterebbero anti-stelle che da anti-idrogeno hanno prodotto anti-ossigeno e che quindi ci sarebbero ampie regioni dello spazio occupate da antimateria.

La maggior parte dei raggi cosmici ha energie entro pochi milioni di eV, 106 eV. Recentemente comunque sono stati osservati raggi cosmici di 1020 eV. Questa è una energia colossale, alcune centinaia di milioni di volte maggiore del più potente acceleratore di particelle esistente.

E’ difficile immaginare da dove potrebbero arrivare questi raggi cosmici così energetici. Gli scienziati hanno proposto alcune idee fra cui quella di una super-esplosione, buchi neri massicci, e ancora relitti cosmici provenienti dall’Universo primitivo. E’ verosimile che questi raggi cosmici di altissima energia contengano i segreti dell’evoluzione e forse dell’origine dell’Universo.

L’origine dei raggi cosmici più energetici è sempre rimasta un mistero, ma alcuni astronomi hanno annunciato di averla forse trovata in quasar ormai estinti. Ogni qualche settimana, una particella subatomica colpisce l’atmosfera terrestre con un’energia maggiore di quella di una palla da tennis durante una partita. L’impatto stimola un’enorme cascata di particelle facilmente osservabili, ma gli astronomi si sono sempre chiesti quali processi potessero dare tanta energia alle particelle. Una spiegazione è stata ora fornita durante il congresso dell’American Physical Society, tenutosi ad Albuquerque, nel Nuovo Messico. Elihu Boldt, del Goddard Space Flight Center della NASA, e Didier Torres, della Princeton University, in New Jersey hanno scoperto che quattro galassie nell’Orsa Maggiore sembrano coincidere con la sorgente di alcuni raggi cosmici registrati dall’esperimento AGASA Cosmic Ray di Yamanashi, in Giappone.

“I raggi cosmici sono gli unici campioni di materia proveniente dall’esterno del sistema solare che abbiamo a disposizione” dice Michael Cherry, della Louisiana State University. “Ora, per la prima volta, è stata identificata una sorgente specifica”.

Le quattro galassie candidate contengono buchi neri estremamente massicci, migliaia di volte più grandi di quello che si trova al centro della Via Lattea, e si pensa che in passato siano state dei quasar. Sebbene i buchi neri centrali ora siano dormienti, essi potrebbero ancora ruotare abbastanza rapidamente da accelerare, saltuariamente, una particella subatomica fino alle energie osservate, anche se il meccanismo non è ancora chiaro.

In media su ogni chilometro quadrato della Terra si verifica l’impatto di un raggio cosmico di alta energia una volta ogni secolo, rendendo difficile svolgere analisi statistiche convincenti. Fin da quando sono iniziate le osservazioni, alla fine degli anni settanta, sono stati contati solo 57 eventi. La maggior parte di questi sono stati osservati proprio da AGASA, che copre un’area di 100 chilometri quadrati alla periferia di Tokyo.

Ovviamente, l’allineamento con le galassie potrebbe essere una coincidenza, ma anche la loro distanza sembra coincidere con le osservazioni. Raggi cosmici di queste energie non possono infatti viaggiare molto lontano, perché vengono facilmente assorbiti dai fotoni del fondo cosmico di microonde. Le quattro galassie si trovano a soli 100 milioni di anni luce da noi, una distanza relativamente modesta e consistente con la sorgente dei raggi cosmici.

(da Le Scienze del 30 aprile 2002)

I raggi cosmici in Italia Lo studio dei raggi cosmici è stato generoso con i fisici: attraverso di essi si sono osservate per la prima volta particelle previste dalle teorie ed oggetti inaspettati. Intanto la scoperta del muone è emblematiche in quanto la si può includere nel folto gruppo di scoperte avvenute… per sbaglio! Dopo che Enrico Fermi aveva postulato l’esistenza di una cosiddetta forza nucleare forte che doveva essere responsabile della stabilità dei nuclei e bilanciare la repulsione colombiana dei protoni, negli anni 1934/35 il teorico giapponese Ideki Yukawa formulò una teoria secondo la quale dovevano esistere particelle di massa intermedia tra quella del protone e quella dell’elettrone che vengono scambiate tra i nucleoni: protoni e neutroni, scambiandosi questa particella battezzata mesone (dal greco mèsos, che sta in mezzo), possono restare avvinghiati in un nucleo. Un anno più tardi, Anderson - lo scopritore del positrone - pensò di aver identificato, proprio nei raggi cosmici, questa particella: le rivelazioni furono ripetute in differenti luoghi fornendo gli stessi risultati e la scoperta venne accreditata presso tutta la comunità scientifica. Dovranno passare una decina d’anni perché, superata l’immane tragedia della guerra, si potesse tornare su questi studi. Ed ecco che a Roma tre fisici italiani, Marcello Conversi, Ettore Pacini ed Oreste Piccioni, dimostrarono che le particelle di Anderson non potevano essere i mesoni previsti da Yukawa in quanto, pur avendo una massa intermedia (ca. 200 volte quella dell’elettrone) vivono cento volte più a lungo ed interagiscono debolmente con i nucleoni. Dal momento che la particella di Yukawa era già stata indicata come mesone π quella di Anderson la si continuò a chiamare impropriamente mesone μ , termine soppiantato con il più corretto “muone”. Il mesone π rimarrà latitante ancora per poco. Lo cattureranno nel 1947 l’inglese Cecil F. Powell, il nostro Giuseppe Occhialini ed il suo studente brasiliano C.M.C. Lattes, servendosi di una nuova sensibilissima emulsione fotografica, portate fino ai 2800 metri del Pic du Midi sui Pirenei francesi (molto bello il sito ufficiale dell’osservatorio: www.omp.obs-mip.fr/omp/Pic/index.html). Si accertò tra l’altro che anche le masse delle due particelle sono alquanto diverse pur nello stesso ordine di grandezza: quella del “pione” è 273 volte quella dell’elettrone, quella del muone solo 207. La scoperta condusse subito a due premi Nobel: Yukawa nel 1949 e Powell nel 1950.

L’Osservatorio astronomico e Meteorologico del Pic du Midi, ha avuto un’epopea scientifica a dir poco eroica. I suoi dati e le sue immagini hanno consentito all’uomo di raggiungere la Luna e di conoscere meglio il Sole. Eppure, una decina d’anni fa la scure dell’economia sembrò condannarlo alla chiusura e all’oblio, dopo quasi un secolo di onorato servizio. Ma i tenaci francesi del Midi-Pirenées non l’hanno permesso e più determinati che mai si sono stretti attorno al loro osservatorio, hanno trovato risorse e fomentato entusiasmi, hanno riportato a nuova vita l’istituzione proiettandola nel mondo della cultura e del turismo internazionale. Proprio nel giugno 2000 una funivia nuova di zecca, costruita appositamente, porterà i turisti a godere di una visita di grande qualità. Già sull’autostrada un’area di sosta concepita come punto di informazione scientifica, propone un filmato 3D sull’osservatorio e i suoi risultati, il suo ambiente, la sua storia, invogliando gli automobilisti ad una visita indimenticabile. Sarebbe così difficile ispirarsi a tanto, noi italiani, sempre così pronti all’esterofilia, con le parole, di rado con i fatti? Se poi pensiamo che al Plateau la funivia c’è già… [da Nimbus.it]

La scoperta del muone si può inserire in quel lungo elenco di casi di quella che gli scienziati amano definire “serendipità”. Questo curioso termine indica la fortuna o meglio il dono di scoprire cose meravigliose mentre si sta cercando tutt’altro; Fleming non cercava certo la penicillina ma “l’ha trovata”. Altri biologi, tornando dalle vacanze, non si sarebbero accorti di quella muffa batterica…Dunque la fortuna aiuta oltre che gli audaci (e i distratti…) anche i bravi ricercatori. Il termine “Serendipity” risale al 1754 ed al letterato inglese Horace Walpole, che lo derivò dall’isola di Serendip, antico nome dello Sri Lanka (Ceylon). La scoperta (riconosciuta però solo a posteriori) del muone ha però un secondo “triste” aspetto in comune con altro famoso caso di serendipità: quello della scoperta delle Pulsar, avvenuta nel 1967

1 grazie alla laureanda Jocelyn Bell ; Jocelyn, oltre al merito della tenacia nel perseguire il suoi intuito scientifico, ebbe pure il suo bel daffare per vincere lo scetticismo del suo professore Tony Hewish, al quale venne poi assegnato il premio Nobel. Così al laureando brasiliano Lattes, che si sobbarcò l’attento e paziente esame di centinaia di lastre fotografiche non venne attribuito l’ambito riconoscimento (come pure al nostro “Beppe” Occhialini). Chissà se pensava proprio a Jocelyn Bell, il famoso fisico Isaac Rabi, Nobel per la scoperta delle proprietà magnetiche dei nuclei, quando scrisse queste parole incise sul bronzo di una targa all’Istituto Rabi al centro studi di Erice:

La Fisica ha bisogno di Nuove Idee. Ma è un compito molto difficile… non significa solamente scrivere qualche riga in una pubblicazione. Se voi veramente volete avere la paternità di una nuova idea, dovete dedicare le vostre energie intellettuali a cercare di capire tutti i dettagli e a trovare qual è il modo migliore per sottoporre questa nuova idea alla prova sperimentale. Tutto ciò può richiedere anni di lavoro. Ma non dovete arrendervi. Se voi credete che la vostra idea sia buona, dovete lavorare intensamente e non avere mai paura di arrivare al punto in cui un nuovo venuto può, con minimo sforzo, trovare quel risultato che voi, per così tanti anni avete cercato di conseguire. Il nuovo venuto non potrà mai togliervi il privilegio di essere stato il primo ad aprire, con la vostra intelligenza, la vostra immaginazione, e il vostro assiduo lavoro, un nuovo campo di attività. Non abbiate timore ad incoraggiare gli altri a continuare il vostro sogno. Se si avvererà, la comunità scientifica non dimenticherà mai che voi siete stato il primo ad aprire questo campo.”

Bibliografia:

2 Isidor I. Rabi

- Erice, 1972

R. Merton, Elinor Barber – Viaggi e avventure della Serendipity – Ed. Il Mulino, 470pp Richard Feynman (sì, proprio Lui…) – Il piacere di scoprire – Adelphi 284 pp.

1 Per chi desiderasse saperne di più sulla scoperta delle pulsar, scrivere al prof. Torchio: cotopaxi67@hotmail.com

2 Isidor Isaac Rabi (1898 ÷1988): Nobel per la fisica, fondatore della prestigiosa scuola di fisica della Columbia

University (N.Y), fondatore del Comitato Scientifico della NATO; co-fondatore dell’Ettore Majorana Foundation and Center for Scientific Culture (EMFCSC) nel 1962 al Cern, che riuscì negli anni ottanta a porre attorno ad uno stesso tavolo i cervelli delle due superpotenze (USA-URSS) impegnate nella corsa agli armamenti nucleari. I seminari sulle Guerre Nucleari hanno riscosso l’attenzione dei leader policiti (Ronald Reagan – Michail Gorbachev – Deng Xiaoping) grazie al manifesto di Erice. per la fisica. Il premio avrebbe dovuto essere diviso con Jocelyn Citare e vedere articolo pacini e data I non riconosciuti : pulsar emulsioni - Rabi. E

Istruzioni aggiuntive sul funzionamento dei diversi moduli di elettronica “NIM” Modulo “discriminatore” Il discriminatore (v. pag. 2 delle dispense) è un dispositivo elettronico che serve a filtrare il segnale proveniente dall’uscita del fotomoltiplicatore: è un segnale in tensione elettrica, molto breve, la cui ampiezza massima V è proporzionale IN all’energia depositata nello scintillatore (che è stata tradotta in tensione elettrica 0 1 attraverso il fotomoltiplicatore e l’elettronica collegata). Il discriminatore lascia 2 3 cioè passare solo i segnali “più forti”, quelli provocati dal grosso deposito di 4 5 energia luminosa al passaggio della particella ionizzante, e blocca i segnali deboli 6 7 dovuti al “rumore di fondo”, cioè alle piccole fluttuazioni di energia luminosa nello scintillatore oppure di corrente di elettroni nel fotomoltiplicatore o nel circuito di amplificazione. Per filtrare il segnale, lo confronta con un livello minimo Vs di tensione, detta tensione di soglia (v. pag. 4 delle dispense) che può variare fra 0 e -255 mV (tutta l’elettronica dei segnali lavora con tensioni negative): se |V|>|Vs| viene generato in uscita un segnale Vout che ha un’ampiezza e una durata standard, indipendente dall’ampiezza del segnale originale V, nel caso opposto Vout è nullo. È chiaro che in questo modo si perde l’informazione sull’ampiezza del segnale e quindi sull’energia depositata nello scintillatore dalla particella (si sa solo che è al di sopra della soglia scelta), però si ha un segnale standard “digitale”, nel senso che può valere solo “1” o “0” (il segnale “c’è” o “non c’è”), che semplifica molto le operazioni successive che consistono in “conteggi” e “coincidenze”. Il modulo di “discriminazione” può trattare contemporaneamente fino a 8 segnali (detti “canali”). Il cavo che porta il segnale dal fotomoltiplicatore va inserito nel connettore di ingresso di un certo canale. Tramite l’interruttore posto in basso e

OUT 0 0 2 2 4 4 6 6

054

1 1

3 3

5 5

7 7

sel

lock messo nella posizione “sel” si seleziona il canale corrispondente: a ogni “click” del selettore la selezione avanza di un canale e, corrispondentemente, si accende il LED rosso del canale. A questo punto si regola la soglia tramite la rotellina “set” portandola al valore desiderato, che si legge sul display; ottenuto il valore desiderato, lo si blocca portando l’interruttore di selezione in posizione “lock”. Nel corrispondente canale “OUT” si ha il segnale in uscita: vengono forniti due segnali OUT e un OUT negato1. È possibile selezionare contemporaneamente tutti e 8 i canali: in questo caso la stessa soglia viene imposta su tutti.

Modulo di coincidenza (“mixer”) Il modulo di coincidenza serve a selezionare segnali che sono in coincidenza temporale, come avviene ad esempio (vedi pag.5 delle dispense) per i segnali prodotti da una particella che attraversa entrambi gli scintillatori. In realtà funziona da semplice sommatore (mixer), esegue cioè la somma di tutti i segnali inviati in ingresso (IN). Volendo controllare se due segnali provenienti dai due scintillatori sono in coincidenza occorre inviare i due segnali “OUT” prelevati alle uscite corrispondenti del discriminatore a due ingressi del mixer. In uscita il mixer fornisce vari segnali “OUT”. Quello che serve a noi è l’ultimo segnale in basso a destra, sotto cui è indicato “1/10”: questo significa che l’ampiezza del segnale è diviso per 10.

set

IN 1 2

3 4

5 6

7 8 9 10

11 12

13 14

15 16 OUT

1/10

1 Il segnale “negato”, che non useremo, ha lo “zero logico” a -800 mV e “l’uno logico” a 0V.

1

Se pertanto si verificano due segnali in coincidenza, ciascuno dei quali di -800 mV, su questa uscita si avrà un segnale di -160 mV (cioè -1600/10); con un solo segnale, in uscita si hanno -80 mV. Basterà pertanto inviare questo segnale a uno degli ingressi del discriminatore chiedendo una soglia fra -80 mV e -160 mV (ad esempio -120 mV) per avere un segnale nella corrispondente uscita solo se si è verificata la coincidenza.

Modulo per i conteggi (“scaler”) Lo scaler serve a contare i segnali che arrivano in un certo intervallo di tempo. I segnali da contare vanno inviati a uno degli 8 ingressi che si trovano in basso e il risultato del conteggio viene visualizzato nella riga corrispondente del display numerico che si trova nella parte alta: converrà collegare, ad esempio, la seconda uscita OUT del discriminatore del segnale del primo scintillatore al primo ingresso dello scaler, quella del secondo scintillatore al secondo ingresso e quella delle coincidenze al quarto ingresso. Il modulo fornisce anche, ogni millisecondo, un segnale di “clock” all’uscita indicata appunto come “clock”: abitualmente la si collega all’ingresso 8, in modo da avere il tempo in ms sul canale più basso del display. Sono infine presenti dei pulsanti di “start”, “stop” e “reset” che servono per far partire, fermare o azzerare tutti i segnali allo stesso istante.

canale 1 ……………………...

canale 2 ……………………...

canale 3 ……………………...

canale 4 ……………………...

canale 5 ……………………...

canale 6 ……………………...

canale 7 ……………………...

canale 8 ……………………...

start stop reset clock

1 2 3 4

5 6 7 8 2