Astroparticelle - I Raggi Cosmici
 
Responsabile Sezione Astroparticelle: Marco Arcani
 

Il progetto sperimentale ADA è rivolto a scuole, istituti, osservatori e privati che vogliano contribuire a realizzare un osservatorio a matrici distribuito su tutto il territorio nazionale (2014). Cliccate sulle foto per vedere un filmato esplicativo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Libro di Marco Arcani

22,00 Euro è anche

in vendita anche presso la reception della FOAM13

AstroParticelle
In viaggio tra i Raggi Cosmici

 

Ogni giorno, il nostro corpo è attraversato da milioni di particelle subatomiche, frammenti di materia e di energia che ci trapassano in continuazione, apparentemente senza lasciare tracce. Generati nel corso di milioni di anni, le astroparticelle provengono dai luoghi più remoti dello spazio. Prendere coscienza del fatto che noi stessi siamo composti di particelle e proprio da quelle giunte qui sulla Terra da posti così lontani nello spazio e nel tempo è una questione affascinante che stupisce e ci fa comprendere che facciamo parte di un insieme più grande di cose che chiamiamo Universo.

La fisica delle particelle è la scienza che si occupa dello studio del comportamento delle particelle elementari, mentre la fisica delle astroparticelle è un nuovo campo di ricerca che unisce il mondo subatomico con il mondo astronomico e si occupa della genealogia e delle proprietà così peculiari di questi frammenti di materia provenienti dallo spazio profondo chiamati anche raggi cosmici

Questo è un viaggio scientifico tra i raggi cosmici raccontato attraverso la storia, le invenzioni i rivelatori e gli osservatori; senza trascurare gli effetti che essi producono coinvolgendo numerose discipline scientifiche tra cui astrofisica, geofisica e paleontologia. La carenza di testi in italiano su questi argomenti e la recente celebrazione del centenario della scoperta dei raggi cosmici, ovvero l’inizio cento anni fa della fisica delle astroparticelle hanno condotto l’autore alla stesura di questo volume, con il proposito di rendere comprensibile la materia a un largo pubblico, affinché tutti abbiano la possibilità di conoscere questi fantastici fenomeni.

 

Il libro si può acquistare nelle migliori librerie (disponibile a breve, ISBN: ) oppure è ordinabile direttamente presso l'editore o presso la reception della FOAM13 a 22,00 Euro.

 

Astroparticelle su Edizioni Simple

 

 


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 scoprì una strana radiazione proveniente dallo spazio, la comunità scientifica a quel tempo pensando che fosse un qualche tipo di onda energetica non ancora nota, 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 e sappiamo anche che il fotone, la particella della luce, dei raggi x gamma etc., pur non avendo massa si comporta anch'essa come una particella di materia.
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:
-Primo, si comprese che le particelle che arrivano dal cosmo posseggono un livello di energia che è irraggiungibile con gli attuali collisori artificiali.
-Secondo, 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 comune 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. Le astroparticelle storicamente chiamate raggi cosmici, sono particelle, quindi 'frammenti' di atomi, che provengono da varie sorgenti situate nello spazio, la natura delle sorgenti non è del tutto chiara ad oggi e questo è uno dei motivi per cui si studiano queste particelle.


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I raggi cosmici sono particelle e nuclei di atomi che viaggiano nel cosmo a velocità prossime a quelle della luce, per questo posseggono elevatissime energie; in tali condizioni quando arrivano in prossimità dell’atmosfera terrestre, collidono con gli atomi stessi dell’atmosfera producendo 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 (520 milioni solo dal sole).
Como

COMPOSIZIONE

Astroparticelle primarie:
•Protoni 90%
•Neutrini
•Elettroni
•Nucleoni, di varia natura
•Fotoni ad alta frequenza (raggi gamma)

Astroparticelle secondarie:
•Muoni + -
•Elettroni - Positroni
•Mesoni + - 0
•Neutrini - antineutrini
•Neutroni - Antineutroni
•Iperoni ed altri adroni

Le astroparticelle sono divise in due gruppi, il primo gruppo sono le astroparticelle primarie cioè quelle che provengono dai corpi celesti che le emettono e che sono composte per il 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.

Quando una particella primaria entra nell'alta atmosfera terrestre, collide con il primo atomo delle rarefatte molecole dell’aria che trova lungo il 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.

Propagazione in atmosfera Schema di propagazione in atmosfera.
Cascata elettrofotonica in una camera a nebbia (Fretter) Foto reale di una cascata elettrofotonica in una camera a nebbia (Fretter).
Centaurus-A Galassia con nucleo attivo (buco nero) che emette radiazione e particelle Centaurus-A Galassia AGN (buco nero) che emette radiazione e particelle.
Grafico del Flusso in funzione dell'energia Grafico del Flusso in funzione dell'energia.

PROVENIENZA

La provenienza e il meccanismo di accelerazione non è ancora ben compreso e rimane uno dei motivi principali di indagine, è noto che gran parte delle astroparticelle primarie arrivano da:

Resti di supernove:

Pulsar - Magnetar,
Buchi neri - Stelle di neutroni.

AGN- active galaxy nuclei:

Quasars - Blazars.

ed altri oggetti esotici, anche il nostro sole in alcuni momenti emette particelle ad alta energia, ma ancora molta strada è necessaria per capire cosa nascondono questi messaggeri extraterrestri che provengo da così lontano nel tempo e nello spazio.

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 FOAM13 ha installato presso il laboratorio ELIOFISICO 

due strumenti per il rilevamento dei raggi cosmici:

Un rivelatore didattico con semplici tubi neon

Esistono dei modi relativamente semplici per poter “vedere” le particelle cosmiche, uno di questi è un sistema suggerito dal CERN di Ginevra, utilizzando delle comuni lampade fluorescenti.
La particella che viene rilevata da questo strumento è proprio il muone (simbolo μ), il muone è una particella elementare, definito cugino dell’elettrone per via del fatto che possiede la stessa carica e spin dell'elettrone, ma pesa circa 200 volte di più, è altamente energetica e penetrante, infatti può attraversare anche un metro di piombo prima di perdere la propria energia.

Sperimentalmente arriva in media un muone su 10cm2 al secondo, il rivelatore esposto qui nel laboratorio eliofisico potenzialmente ne potrebbe visualizzare anche 30 ogni secondo, producendo un suggestivo carosello luminoso.


UNISCITI AL PROGETTO ADA 

  

Il Progetto ADA

Ogni rivelatore invia i dati ad un webserver, che può essere il sito web stesso della scuola, osservatorio, privato, etc., che ospita un rivelatore.
Il portale www.astroparticelle.it funziona come concentratore che preleva i dati da ogni server, fa’ una prima analisi e ne permette la consultazione online da qualsiasi utente collegato ad internet.

ADA (Astroparticle Detectors Array)

Il progetto sperimentale ADA è rivolto a scuole, istituti, osservatori e privati che vogliano contribuire a realizzare un osservatorio a matrici distribuito su tutto il territorio nazionale.

Il vantaggio di avere rivelatori coordinati garantisce la possibilità di rilevare qualche evento astronomico anomalo, infatti se un’anomalia del flusso viene rilevato solo in uno strumento isolato può non avere significato specifico, ma se una variazione significativa si avesse in tutto l’array di rivelatori è chiaro che sarebbe un segnale di un qualcosa ad alta energia che meriterebbe un analisi più approfondita.

Il progetto prevede l'utilizzazione e la realizzazione di un rivelatore a tubi Geiger come l' che deve essere sistemato in una postazione fissa e dovrebbe funzionare 24 ore su 24. Ogni strumento diventerebbe così una cellula di un sistema (matrice o array) collegato in rete internet.

Collegandolo in rete internet ogni rilevatore diventa un prezioso tassello di un array che in modo del tutto trasparente durante il suo normale funzionamento, invierà i rilevamenti ad un server che raccoglierà i dati in un archivio digitale da cui chiunque potrà accedervi e fare analisi.

Lo scopo dei grandi osservatori a matrici è quello di registrare eventi particolarmente rari ed energetici e questo è possibile farlo solo avendo una grande copertura di strumenti su una grande superficie.

La sezione della FOAM13 fa da capofila al progetto , un osservatorio sperimentale di raggi cosmici con l'idea e con l’auspicio di essere solo il primo di una serie di rivelatori sparsi sul territorio locale e nazionale; nell'ottica di ottenere un super osservatorio sul modello di quelli professionali a matrice, in costante osservazione del cielo e nell’attesa di eventi UHECRs (ultra high energy cosmic rays): Astroparticelle di altissima energia.

Di seguito lo schema di principio del progetto:

AMD5 Un rivelatore di raggi cosmici a tubi Geiger

Questo rivelatore, particolarmente indicato per scuole, istituti ed osservatori, è parte integrante del progetto sperimentale ADA (Astroparticle Detector Array). ADA è rivolto a scuole, istituti, osservatori, associazioni e privati che vogliano contribuire a realizzare un osservatorio a matrici distribuito su tutto il territorio nazionale.

 

Il rivelatore AMD5 funziona tramite due tubi Geiger in coincidenza ed invia i rilevamenti giornalieri al server che li archivia per poterli analizzare in seguito.

Il pannello qui a fianco riporta in tempo reale la media dei dati registrati dall'AMD5 negli ultimi 5 minuti e viene aggiornato ogni 15 minuti.

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PER INFORMAZIONI -



ALTRE INFORMAZIONI:

Victor Franz Hess - 100 anni dalla scoperta.

Victor Hess

Negli anni tra il 1911 e il 1913, V. Hess fisico Austriaco effettua i suoi voli e le sue ricerche con palloni aerostatici perchè aveva intuito che la radiazione rilevata al suolo poteva provenire dallo spazio.

Armato solamente di particolari elettroscopi, decolla per la prima volta nel 1911, dopo dieci voli nell'agosto del 1912 dichiara la sua scoperta:
“I risultati delle osservazioni indicano che raggi di grande forza di penetrazione, stanno entrando nella nostra atmosfera dall’alto”. Segna così l'inizio della fisica delle astroparticelle.

 

La camera a nebbia

Nel 1911 Charles Wilson costruisce una macchina, che chiamerà cloud chamber (tradotto in camera a nebbia)per studiare la formazione delle nubi e la conduttività dell' aria in laboratorio.
Se una particella attraversa la camera a nebbia lascia una traccia di goccioline che segnano il suo passaggio. Wilson aveva così escogitato un sistema geniale per visualizzare le particelle cosmiche e non, questo strumento è stato impiegato in seguito per lo studio dei raggi cosmici da tutti gli scienziati che si occupavano di fisica delle particelle, fino all'arrivo della più performante camera a bolle, sostituita in seguito dai semiconduttori.

 

L'osservatorio Testa Grigia.

Lo sapevate che alcuni storici osservatori come il Pic du Midi e lo Jungfraujoch sono sorti anche grazie alla necessità di studiare i raggi cosmici?

L'unico modo di studiare le particelle elementari infatti era quello di costruire laboratori ad alta quota, in Italia ce ne sono alcuni, uno di questi è al Plateau Rosà sopra Cervinia.

 

ADA (Astroparticle detectors array).

Il progetto sperimentale ADA è rivolto a scuole, istituti, osservatori e privati che vogliano contribuire a realizzare un osservatorio a matrici distribuito su tutto il territorio nazionale.

Il progetto prevede la realizzazione di un rivelatore a tubi Geiger come l'AMD5 che deve essere sistemato in una postazione fissa e dovrebbe funzionare 24 ore su 24. Ogni strumento diventerebbe così una cellula di un sistema (matrice o array) collegato in rete internet.

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