Introduzione ai raggi cosmici

Il problema dei Raggi Cosmici ha origine verso la fine dell’Ottocento, nel periodo in cui i fisici stavano approfondendo la struttura degli atomi. Vediamo di capire come è nato il problema, che cosa sono e perché è importante studiare i raggi cosmici. Ormai era chiaro che la materia è composta da atomi e che negli atomi la carica elettrica ha una struttura granulare: ciò implica che essa si presenta solo in multipli di interi di una carica elementare indivisibile. La svolta negli studi avvenne quando si comprese che l’atomo non è indivisibile: Joseph J. Thomson nel 1897 aveva scoperto l’elettrone, una particella di massa piccolissima, identificata come la portatrice dell’unità fondamentale di carica negativa. L’esistenza dell’elettrone conferma, dunque, che l’atomo ha una struttura interna. Bene, mi direte, ma come si passa dal problema degli atomi a quello dei raggi cosmici?

L’elettrone: un ponte tra struttura atomica e ricerca dei raggi cosmici. In quello stesso periodo numerosi esperimenti dimostrarono che, in modo analogo ai gas, anche l’aria è sempre (pur debolmente) ionizzata, poiché contiene una piccola percentuale di ioni positivi (atomi che hanno perso uno o più elettroni) e di elettroni liberi. Dal momento che gli ioni positivi e gli elettroni liberi tendono a ricombinarsi per formare atomi neutri, i conti non tornavano. Nel senso che doveva esistere qualcosa, un raggio, una forza o una forma di radiazione che agiva sulla materia per estrarre gli elettroni dagli atomi. Pierre e Marie Curie, insieme a Henri Bequerel avevano appena individuato una sorgente possibile per la radiazione ionizzante. Si tratta della radioattività: i raggi alfa, beta e gamma emessi dai nuclei dei corpi radioattivi sono particelle di grande energia, anche milioni di volte più grande di quella trasportata dai fotoni del Sole. Quando particelle così energetiche penetrano nella materia gettano nello scompiglio le nuvole di elettroni che circondano i nuclei; a seguito di questo “disordine”, le particelle energetiche lasciano dietro di sé una scia di elettroni liberi e di atomi ionizzati.

Da dove vengono le tracce di elementi radioattivi presenti nell’aria e in diversi materiali terrestri? E, soprattutto, come si spiega il fatto che  la ionizzazione ad alta quota è maggiore di quella che si misura al suolo?  Nel 1936 Victor Hess riuscì a risolvere il dilemma: la scoperta dei raggi cosmici, che gli valse il Nobel, è in perfetto accordo con l’ipotesi dell’esistenza di una radiazione di alto potere ionizzante che penetra dall’alto nella nostra atmosfera. CI sono voluti oltre vent’anni per capirne la natura. Oggi sappiamo che i raggi cosmici sono particelle di varia natura elettricamente cariche, o neutre come nel caso dei fotoni e dei neutrini, che arrivano continuamente sulla Terra da tutte le direzioni. I raggi cosmici hanno uno spettro di energia che si estende fino a valori straordinari, anche decine di milioni di volte più grandi di quanto si riesce a ottenere negli acceleratori come il Large Hadron Collider. Le particelle cariche e i fotoni sono rivelati a terra o sui satelliti; al contrario, i neutrini si riescono a “vedere” solo schermandosi dal resto dei raggi cosmici, in grandi istallazioni sotterranee o sottomarine. Ma i neutrini possono arrivare anche dal sottosuolo: tra i modi di interazione, comunque rarissimi, quello più utile per rivelare i neutrini è l’urto con la produzione di un muone: è il muone a segnalare il neutrino iniziale, con una traccia negli strumenti di rilevazione.

Da quali particelle sono composti i raggi cosmici? Circa il 90% della componente elettricamente carica dei raggi cosmici è costituita da protoni. Gli elettroni rappresentano una frazione minima, mentre il resto è composto da nuclei atomici ionizzati (del tutto privi dell’involucro di elettroni), e da una piccola quantità di antimateria: antiprotoni e antielettroni. L’isotropia dei raggi cosmici carichi è la conseguenza dei campi magnetici che permeano la nostra galassia e lo spazio intergalattico. Questi campi deviano la traiettoria delle particelle cariche, e “mescolano” le loro direzioni; le diverse traiettorie spiegano anche il modo in cui vediamo il cielo: visto con fotoni (che viaggiano in linea retta) ci appare puntellato di stelle, galassie e altre sorgenti, mentre con i raggi cosmici sembra splendere con una luminosità uniforme.

Questo è lo schema generale: approfondire la questione è abbastanza difficile soprattutto perché i raggi cosmici non raggiungono la Terra in modo uniforme. La Radiazione Primaria – costituita dalle particelle che arrivano dalle lontane sorgenti astrofisiche – interagisce con gli atomi dell’aria ad alta quota (a circa 15-20 km di altezza): in queste violente interazioni l’energia di una particella primaria si suddivide tra molte particelle secondarie di diverso tipo, create nell’interazione stessa. La Radiazione Secondaria è, invece, composta da particelle che interagiscono e/o decadono spontaneamente producendo altre particelle. La maggior parte di essa è assorbita dall’atmosfera e la piccola frazione che arriva al suolo si presenta come una miscela eterogenea di particelle: fotoni, elettroni, positroni, muoni e neutrini, ma anche pioni, kaoni, etc.. I fisici della prima metà del ventesimo secolo si trovarono di fronte a un bel rompicapo, in quanto solo il Modello Standard e le recenti evidenze tratte dagli esperimenti con gli acceleratori spiegano la natura di tutte queste particelle: all’epoca non si conoscevano le leggi che ne governano il comportamento e, in alcuni casi, nemmeno l’esistenza.

Nel campo della fisica delle particelle un significativo passo avanti si ebbe nel 1931, quando Carl Anderson scoprì nella radiazione cosmica particelle con la massa dell’elettrone ma carica elettrica positiva. Poco tempo prima, Paul Dirac, sulla base di considerazioni teoriche, aveva previsto l’esistenza dell’antielettrone. Carl Anderson, che per questo motivo condivise il Nobel con Victor Hess, riuscì a scoprirlo pur non conoscendo le ricerche di Dirac. Negli anni successivi tra i raggi cosmici dovevano essere scoperte altre nuove e insospettate particelle: non solo muoni e pioni, ma anche le esotiche Kappa e Lambda.

Che cosa produce i raggi cosmici? Eventi astrofisici estremi come le esplosioni di supernova non sono l’unica fonte. I nuclei galattici attivi –le regioni centrali di particolari galassie che hanno di solito al centro buchi neri supermassicci (con una massa anche di miliardi di masse solari) – rilasciano grandi quantità di energia quando la materia di gas interstellare e di stelle disintegrate precipita verso i buchi neri. È più che probabile che i raggi cosmici di energia più elevata si siano formati in questi enormi sistemi. I Gamma Ray Bursts, le pulsar e i microquasar sono altri candidati per spiegare l’accelerazione dei raggi cosmici. I Gamma Ray Bursts sono uno dei fenomeni più sorprendenti ed enigmatici osservabili nel cielo: scoperti, in modo del tutto accidentale, alla fine degli anni Sessanta dai satelliti militari americani Vela, che monitoravano la superficie della Terra alla ricerca di possibili esplosioni nucleari segrete, possiamo descriverli come segue. Per un tempo brevissimo (da qualche centesimo a qualche centinaio di secondi) un punto nel cielo si illumina in un intensissimo lampo di radiazione gamma, che durante la sua breve durata supera in luminosità il resto dell’Universo visibile. Al violento lampo segue un’emissione più debole che decresce nel tempo, scomparendo in pochi giorni o settimane.

Il nucleo della galassia Centaurus A, un esempio di sorgente naturale di particelle cosmiche e radiazione di altissima energia.

I Gamma Ray Bursts (GRB) sono gli oggetti più lontani mai visti dalla Terra e sono il risultato di esplosioni cosmiche ancora più potenti delle supernovae. L’origine di queste esplosioni potrebbe essere duplice: la coalescenza (dovuta alla radiazione di onde gravitazionali) di un sistema binario formato da due stelle di neutroni per formare un buco nero, oppure il collasso gravitazionale di stelle supermassive.  L’uso dei raggi gamma è fondamentale per scoprire l’origine dei raggi cosmici: i raggi cosmici seguono traiettorie modificate a causa dei campi magnetici e quindi è impossibile risalire alla traiettoria originaria. I raggi gamma invece sono molto energetici e poi sono fotoni e quindi viaggiano indisturbati fino al rivelatore del satellite.

L’esplosione di una supernova produce delle minuscole stelle di neutroni con un raggio anche di pochi chilometri. Quando il nucleo della stella in collasso gravitazionale si contrae, per la conservazione del momento angolare, la sua rotazione aumenta di velocità, come avviene a una pattinatrice che piroetta stringendo le braccia vicino al corpo.  Enrico Fermi (Nobel nel 1938)  ipotizzò, intorno al 1940, che i raggi cosmici fossero particelle provenienti da i resti delle supernovae; o meglio queste particelle raggiungono queste velocità perché accelerati nelle esplosioni di supernovae. Il satellite della NASA Fermi ha trovato conferma a questa ipotesi il 15 febbraio 2013. Il satellite Fermi è riuscito a misurare raggi gamma provenienti da supernovae presenti nella nostra galassia.

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La supernova SN 1994D (il punto luminoso in basso a sinistra) nella galassia NGC 4526 (crediti: Wikipedia).

Le stelle di neutroni sono enormemente più piccole della stella prima della compressione e quindi ruotano velocissime, anche 1.000 volte al secondo. Questa veloce rotazione genera degli elevatissimi campi magnetici cui concomitano complessi fenomeni elettromagnetici in grado di accelerare particelle fino a energie elevatissime. Non solo: questi campi magnetici generano fasci ruotanti di fotoni che illuminano periodicamente il cielo e, per questo, e ci appaiono come corpi pulsanti. Questi fenomeni sottraggono energia alla pulsar che lentamente rallenta la sua rotazione.

Un microquasar è, invece, un sistema binario composto da una stella ordinaria in stretta orbita intorno ad un buco nero (con massa alcune volte quella del Sole). Un rivolo di materia viene continuamente rubato alla stella e cade verso il buco nero. La caduta genera l’energia cinetica che alimenta l’emissione di radiazione, e si converte nell’accelerazione di particelle cariche fino a energie molto elevate. Lo studio delle sorgenti dei raggi cosmici è stato rivoluzionato dallo sviluppo di nuovi telescopi (come Agile, Fermi, Hess, Magic) in grado di osservare raggi gamma, cioè fotoni di alta e altissima energia. L’accelerazione dei raggi cosmici è, infatti, accompagnata dall’emissione di luce con un ampio spettro di energia, che “segnala” la loro produzione. L’accelerazione dei raggi cosmici è accompagnata dall’emissione non solo di fotoni ma anche di neutrini, particelle prive di carica e dotate di massa piccolissima, che giungono sulla Terra senza subire deviazione nel loro percorso e che interagiscono pochissimo con la materia. Per queste loro caratteristiche i neutrini sono degli ottimi messaggeri, perché conservano fino a noi, praticamente intatte, le informazioni sulle loro sorgenti e quindi su ciò che avviene nel nostro Universo.

File:Ss433 art big.gif

Immagine artistica della microquasar SS 433 (crediti: Wikipedia).

Il mistero dei neutrini per svelare l’origine dei raggi cosmici. I neutrini possono attraversare tutto l’Universo senza essere deflessi né assorbiti, e fornire così informazioni sui luoghi più estremi del cosmo. Ipotizzati da Wolfgang Pauli nel 1930 per risolvere il problema dell’energia mancante nel decadimento beta nei nuclei, i neutrini, privi di carica, interagiscono così debolmente con la materia che lo stesso Pauli dubitava che potessero essere mai rivelati. L’effettiva scoperta avvenne nel 1956 grazie agli studi di Frederick Reines e Clyde Cowan.

A sinistra la rappresentazione dei neutrini provenienti dal centro della Galassia che, dopo aver attraversato la Terra, arrivano sul fondo del Mediterraneo. A destra, invece, è riprodotto lo schema del passaggio dei muoni (prodotti dai neutrini quando interagiscono con la materia) attraverso un rilevatore (i fotomoltiplicatori collocati sulle torri raccolgono la luce Cherenkov prodotta dai muoni).

Bruno Pontecorvo già nel 1969 sosteneva che i neutrini hanno una personalità multipla che li fa oscillare tra diversi stati o tipi e che quindi, durante il viaggio dal Sole alla Terra, oscillano da un tipo a un altro (si tratta solo dei neutrini elettronici, in quanto quelli muonici non erano computati in quanto gli strumenti di allora non erano in grado di rilevarli). L’oscillazione tra i diversi tipi comporta inoltre che i neutrini abbiano una massa diversa da zero. La rilevazione dei neutrini di alta energia (cioè con energia maggiore di 1 TeV) è fondamentale in quanto si tratta dei reali messaggeri dell’Universo “violento” in cui stelle massicce accrescono buchi neri, lampi di GRB brillano per brevi istanti con intensità pari a miliardi di miliardi di soli, Nuclei Galattici Attivi emettono enormi quantità di energia. In questi “oggetti” astrofisici si verificano le condizioni per accelerare particelle fino a energie elevatissime. Attraverso la rivelazione dei neutrini è possibile individuare i più potenti acceleratori cosmici (galattici ed extra-galattici) e svelare il mistero dell’origine dei raggi cosmici.

I neutrini prodotti nelle sorgenti astrofisiche dall’interazione tra protoni – o tra protoni e la radiazione gamma – attraversano imperturbati regioni dense e caldissime dello spazio, per giungere a noi dagli estremi limiti dell’Universo senza essere deflessi (come i protoni) o assorbiti (come i raggi gamma di alta energia e i protoni più energetici). Ma, se per osservare i neutrini provenienti dal Sole sono necessari rivelatori di alcune migliaia di tonnellate, installati in laboratori sotterranei dove la roccia sovrastante garantisce quel “silenzio cosmico” che permette di identificare i rari eventi dovuti a neutrini, per allargare il nostro orizzonte di osservazione a sorgenti cosmiche di neutrini di alta energia sono necessari rivelatori molto più grandi.

Giganti a caccia di neutrini. L’unica soluzione percorribile è quella di utilizzare le profondità marine o gli spessi ghiacci dell’Antartide che hanno una triplice funzione: schermo dalla pioggia di particelle cariche che colpisce continuamente la Terra, bersaglio per la “conversione” del neutrino in particella carica (il muone) e da radiatore che al passaggio del muone nell’acqua o nel ghiaccio emette luce direzionale che viene rivelata da sensori ottici. I sensori ottici, installati su alcune centinaia di strutture meccaniche alte diverse centinaia di metri e distanziate 100-200 metri, “registrano” i tempi di arrivo e l’intensità della luce raccolta permettendo così di risalire alla direzione di provenienza e all’energia del neutrino. I telescopi per neutrini, installati a circa 3.000 metri di profondità, guardano il cielo a testa in giù selezionando le tracce che raggiungono il rivelatore dall’emisfero celeste opposto e usando tutta la Terra come filtro, solo i neutrini, infatti, possono attraversarla senza essere assorbiti. Per osservare l’intero cielo sono necessari due telescopi di neutrini in emisferi opposti: nei ghiacci dell’Antartide è stato costruito IceCube.  In particolare, l’osservazione di neutrini da resti di supernova consentirebbe di risolvere l’enigma dell’origine dei raggi cosmici, almeno per quanto riguarda i raggi cosmici galattici.  L’astronomia per neutrini nasce per rispondere a tutte queste domande. I telescopi per neutrini di alta energia sono strumenti di scoperta che apriranno una nuova finestra osservativa sull’Universo. È quindi molto probabile che guardando il cosmo con nuovi occhiali, come è spesso avvenuto in passato, i fenomeni inusuali non mancheranno di palesarsi. (Articolo comparso su cyberscienza.it il 3/02/2012).

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