Raggi cosmici


Cosa sono i raggi cosmici?

I raggi cosmici, chiamati anche astroparticelle, sono delle particelle subatomiche di media o alta energia che impattano quotidianamente la Terra, coinvolgendo anche gli altri corpi celesti, i satelliti e gli astronauti in orbita spaziale. Si stima addirittura che ogni secondo una particella colpisca ogni metro quadro del nostro pianeta. In natura si distinguono principalmente due tipi di raggi cosmici: quelli primari e quelli secondari.

Da dove provengono?

Essi provengono da varie sorgenti situate nello spazio, dal cosmo, appunto, e giungono sino alla Terra mediante un prodotto secondario di sciami formati nell'atmosfera dai raggi cosmici primari, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica. Per quanto riguarda la loro origine, sono sorti innumerevoli dubbi ai quali non è ancora stata data una risposta precisa. Si sostiene, però, che i raggi cosmici abbiano origini diverse a seconda della loro energia. I raggi cosmici a bassa energia si ritiene siano quelli provenienti dal sole, sparati direttamente dalla stella stessa. Quelli con energia media si ritiene provengano da altre stelle, in particolare quelle che esplodono, ovvero le supernove, oppure dal nucleo della nostra galassia. I raggi cosmici ad energia elevata si ritiene provengano dall'esterno dell nostra galassia, da stelle strane come il Quasar o da radiogalassie.

Qual è la loro composizione?

I raggi cosmici primari sono composti soprattutto da particelle cariche negativamente e da protoni, da neutrini, nuclei di vari natura, fotoni ad alta frequenza ed in minima parte da antimateria (cui fanno parte, in questo caso, i positroni e gli antiprotoni). I raggi cosmici secondari, invece, sono composti da elettroni, iperoni, neutroni, mesoni, muoni e neutrini.

Come giungono da noi?

Tali particelle, una volta giunte nell'atmosfera, interagiscono con i nuclei delle molecole che lì si trovano, formando, con un processo a catasta, nuove particelle proiettate in avanti che vanno ad interagire successivamente con altre particelle dell'atmosfera. Si crea, quindi, una sorta di reazione a catena, meccanismo possibile perché le particelle possono spaccarsi, infatti, i protoni e i neutroni, che all'inizio del secolo scorso si credeva indistruttibili, se colpiti da una particella ad alta velocità si spaccano e generano altre particelle subatomiche. Si generano dunque degli sciami: dal raggio cosmico primario si generano migliaia di altre particelle che arrivano a Terra, i cosiddetti raggi cosmici secondari. I raggi cosmici sono fortunatamente innocui per l'uomo, perché, dato che l'unica energia presente in tutto il processo era quella della particella originaria che era arrivata sul nostro pianeta, avremo una particella ad alta energia all'inizio, e tante particelle che arrivano a Terra con poca energia alla fine. Più grande sarà l'energia del raggio cosmico primario, più grande sarà lo sciame che arriva sulla superficie terrestre.
In fisica, esiste una legge per calcolare il numero di raggi incidenti per unità di energia, per unità di tempo, per unità di superficie per steradiante, ovvero lo spettro dei raggi cosmici primari; essa è descritta dalla formula: ( ØαE- α) con α = 2,7 per valori dell'energia inferiori a (≈1015eV). Per valori superiori dell'energia, esso diviene più ripido. Il punto in cui tale cambio di pendenza ha luogo viene denominato ginocchio. Per energie ancora più elevate, lo spettro dei raggi cosmici torna ad essere meno ripido, dando luogo ad un ulteriore cambio di pendenza che viene denominato caviglia.

Cosa sono i raggi cosmici secondari?

I raggi cosmici secondari sono, dunque, una sorta di prolungamento figurativo dei raggi cosmici primari; sono inoltre, quelli che giungono all'uomo e che possono, quindi, essere studiati. Essi sono invisibili all'uomo, ma è possibile captare la loro presenza e seguirne il passaggio mediante alcuni particolari rivelatori, come le cosiddette camere. Oggi si sa che essi siano costituiti da due componenti, la componente molla e la componente dura. La componente molla composta da elettroni e fotoni ed in minima parte da protoni, kaoni e nuclei, è capace di attraversare solo pochi centimetri di assorbitore. La componente dura, la quale sovrasta in quantità quella molla, è, invece, composta da muoni e riesce a penetrare spessori di materiali assorbenti di oltre un metro.

A cosa si deve la loro scoperta?

La loro scoperta si deve a due scienziati, i quali, pur lavorando in maniera diversa, si basavano sulla radioattività perché essa pervade ogni aspetto della realtà. Per lo studio dei raggi cosmici essa è, quindi, fondamentale. All'inizio del secolo, vi erano due grosse ipotesi per spiegare questa radioattività "naturale", una riteneva fosse dovuta ai materiali radioattivi presenti nel nucleo terrestre, l'altra riteneva che questa fonte fosse lo spazio. L'opzione corretta era la seconda e ciò fu confermato proprio dagli esperimenti di questi due scienziati. Victor Hess, scienziato austriaco, trovò che, usando una mongolfiera, la radioattività cresceva al crescere della quota; Domenico Pacini scoprì che andando sott'acqua la radioattività naturale diminuiva. L'unica spiegazione possibile a queste due osservazioni era una sola: i raggi cosmici, appunto.

I raggi cosmici costituiscono un potenziale molto alto per gli scienziati di tutto il mondo e per il sapere scientifico in sé.

Dallo studio di tale radiazione spaziale, sono state scoperte altre particelle come il positrone, la prima particella di antimateria mai scoperta, il muone, una particella fondamentale con carica elettrica negativa e stato quantico (spin) pari a 1\2, e le particelle strane, in un'epoca nella quale la tecnologia degli acceleratori non si era ancora sviluppata.

Il fenomeno dei raggi cosmici, inoltre, coinvolge numerose discipline scientifiche, dalla meteorologia alla paleoclimatologia, dall’astronomia, alla fisica delle particelle ed anche alla medicina. Per questo motivo centinaia di laboratori e osservatori astronomici nel mondo sono adibiti allo studio di queste particelle attraverso rivelatori ed esperimenti.

Un esperimento finalizzato allo studio del fosfene, ovvero la percezione di puntini luminosi nello spazio, e particolarmente significativo, in quanto fosse il primo nell'ambito dei raggi cosmici, è ALFMED (sta per: Apollo Light Flash Moving Emulsion Detector, ma anche Apollo Light Flash Medical Experiment Device). Esso è stato uno dei primi apparecchi costruiti per indagare sugli effetti che la radiazione cosmica può avere sull’organismo umano nello spazio. È un casco dotato di emulsioni fotografiche nucleari che hanno lo scopo di verificare e registrare il passaggio delle particelle nella testa di chi lo avesse indossato, erano gli astronauti del tempo. Esso utilizzava una lastra fotografica montata su un meccanismo mobile e una o due lastre in posizione fissa. Gli astronauti dovevano attendere quindici minuti nell'oscurità totale prima di iniziare l'esperimento. All'accensione la lastra mobile iniziava a spostarsi lentamente, l'astronauta in contatto con il centro di missione comunicava quando vedeva i lampi di luce e ogni volta veniva annotato ora minuto e secondo dell'evento, l'operazione durava circa un ora. Una volta sviluppate le pellicole, tramite il confronto delle tracce lasciate dalle particelle nelle emulsioni e i dati annotati durante l'esperimento, si poteva verificare il momento esatto dell'interazione.

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