Nozioni generali

Cascata di raggi cosmici in atmosfera

I raggi cosmici sono particelle subatomiche, nuclei di atomi che viaggiano nel cosmo a velocità prossime a quelle della luce, per questo posseggono elevatissime energie. Un raggio cosmico (o astroparticella) che entra nell'atmosfera terrestre collide con gli atomi stessi dell’aria e produce una cascata di particelle secondarie che si propagano come il getto di una doccia giungendo fino a terra.
Quando avrete finito di leggere questa riga sarete stati attraversati da circa 800 muoni e da qualche miliardo di neutrini (70 miliardi al secondo per cm² solo dal Sole).

Quando nel 1912 Victor Hess dimostra che la strana radiazione misurata al suolo proviene dal cosmo, nessuno riesce a credere a questo fenomeno e sorgono vivaci discussioni in campo accademico per diversi anni, finchè le prove sperimentali vengono confermate. Victor Hess riceve il premio Nobel nel 1936 per la scoperta dei raggi cosmici. Nel 2012 in occasione del centenario, le poste austriache hanno emesso un francobollo commemorativo.

Nel 1912, il fisico austriaco Victor Franz Hess tramite voli in pallone gonfiati a idrogeno scoprì una strana radiazione proveniente dallo spazio. La comunità scientifica a quel tempo battezzò tale radiazione col termine di "raggi cosmici", ad indicare qualcosa di energetico non composto da materia come i raggi X. Oggi al contrario sappiamo che questa radiazione è composta da particelle di materia, principalmente protoni. Durante gli anni successivi alla scoperta fu applicato una grande studio sui raggi cosmici e grazie al flusso di queste particelle si scoprirono l’antimateria, il muone e i vari mesoni.
Con la costruzione degli acceleratori di particelle, i raggi cosmici vennero gradualmente e per diversi anni trascurati, finchè col passare del tempo due elementi apparvero chiari:

• Si comprese che le particelle che arrivano dal cosmo posseggono un livello di energia che è irraggiungibile con i collisori artificiali.
• La tecnologia nel campo dei rivelatori aveva fatto grandi progressi. Con l’evoluzione dell’elettronica e dell'informatica, la possibilità di costruire grossi rivelatori con costi ragionevoli poteva permettere di catturare e registrare eventi cosmici prima impensabili, per catturare eventi molto energetici, quindi relativamente rari servono infatti enormi rivelatori.

Iniziò quindi uno studio parallelo tra la fisica dei raggi cosmici e la fisica negli acceleratori, in quanto la materia è la stessa, le interazioni sono le stesse e lo scopo da raggiungere è il medesimo ovvero capire la natura della materia conosciuta e scoprire le leggi che regolano le forze fondamentali.

Nasce così la definizione di Astroparticelle, un neologismo per identificare una materia scientifica interdisciplinare la fisica delle astroparticelle, che comprende: fisica delle particelle, astrofisica e cosmologia. La natura delle sorgenti di raggi cosmici non è del tutto chiara ad oggi e questo è uno dei motivi per cui si studiano queste particelle.

Schema di propagazione in atmosfera.

Le astroparticelle sono divise in due gruppi, le primarie cioè quelle che provengono dai corpi celesti che le emettono e che sono composte per più del 90% da protoni e per il resto da elettroni e nucleoni di varia natura. Nel flusso delle astroparticelle primarie compaiono inoltre fotoni ad alta energia cioè raggi gamma e i neutrini. I neutrini sono le particelle più abbondanti in assoluto nel cosmo perché prodotti da tutte le stelle durante la normale fusione dell'idrogeno in elio, questi avendo una piccolissima massa e non avendo carica elettrica fuggono dalle stelle carichi di energia e (interagendo poco con la materia che incontrano) sono liberi di muoversi nello spazio senza ostacoli, in quanto attraversano la materia come dei fantasmi, senza quasi lasciare traccia. Però soltanto i neutrini accelerati ad alte energie fanno parte dei raggi cosmici, tale accelerazione può essere provocata ad esempio durante le esplosioni di Supernove.

Foto reale di una cascata elettrofotonica in una camera a nebbia (Fretter).

Una particella primaria che entra nell'alta atmosfera terrestre "collide" con il primo atomo (delle rarefatte molecole d'aria) che trova lungo il suo percorso. Questa "collisione" crea come una violenta esplosione (come quella prodotta negli acceleratori artificiali) da cui vengono generate altre particelle che sono chiamate secondarie proprio perché generate da quelle primarie.
Una particella secondaria può a sua volta colpire altri atomi o particelle generando a sua volta altre particelle, si stima che può avvenire questo processo fino alla quinta generazione prima di esaurirsi l'energia primaria. Il flusso delle particelle secondarie è composto da elettroni neutroni e mesoni, ed in particolare nel flusso delle astroparticelle secondarie troviamo anche in abbondanza l’antimateria.

La Crab Nebula nella costellazione del Toro è un tipico resto di supernova, una pulsar che con il suo potente campo magnetico ed elettrico potrebbe essere una delle sorgenti di particelle cosmiche. (foto composita X, IR e ottico: Chandra-Spitzer-Hubble)

La provenienza e il meccanismo di accelerazione non è ancora ben compreso e rimane uno dei motivi principali di indagine, gli indizi più robusti indicano che gran parte delle astroparticelle primarie arrivano da supernovae e resti di supernovae.

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