Macchine del tempo - Tesina

SISTEMI

TELESCOPIO MUONICO, MRPC

Le camere MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber), sviluppate dal gruppo di

lavoro del prof. Antonino Zichichi per il progetto ALICE del CERN di Ginevra, sono

la componente fondamentale di un telescopio in grado di rivelare raggi cosmici (dei

quali si parlerà meglio nella sezione di Fisica).

La relazione che lega tali camere al concetto di “macchina nel tempo” consiste nel

fatto che questo sistema sia in grado di captare particelle che arrivano direttamente dal

passato, ossia da 13,82 miliardi di anni fa, per essere più chiari: dal Big Bang!

Cos’è un telescopio a MRPC

I telescopi costituiti da queste camere sono anche chiamati a ionizzazione di gas,

poiché sono costituiti fondamentalmente da un condensatore piano, avente tra le

armature una miscela di gas dielettrici, la quale interagisce con il passaggio della

particella carica µ (muone) ionizzandosi e permettendoci di rivelare l’evento accaduto.

Generalmente questi telescopi sono costituiti da tre camere sovrapposte con la

possibilità di variare la distanza tra una camera e l’altra.

Componenti camere

Una camera MRPC è costituita principalmente da:

 Una miscela di gas composta al 98% da FREON (C F H ) e al 2% da

2 4 2

ESAFLUORURO Di ZOLFO (SF )

6

 5 vetri intermedi spessi 1.1mm separati da fili da pesca, per suddividere il gas in

6 settori (gap) spessi 350µm (diametro dei fili), al fine di evitare scariche

elettriche all’interno delle camere.

 2 elettrodi, cui è fornita l’alta tensione per creare una differenza di potenziale.

 2 elettrodi di lettura, costituiti da 24 strisce di rame (strip) larghe ciascuna

25mm attaccate ad un pannello di Vetronite spesso 1,5mm

 Rivestimento di alluminio con supporto di compensato di dimensioni 2x1m

Di seguito è riportato uno schema sulla struttura delle camere Pagina 6

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

Sistema del gas

Il gas in uscita dalle bombole arriva al mixer che ne fa la giusta miscela.

Tale miscela entra poi nella prima camera, dopodiché procede verso la seconda,

quindi verso la terza, viene condotta al bubbolatore (ampolla contenente olio che

serve a verificare il corretto flussaggio), e infine la miscela esausta viene dispersa in

atmosfera.

Si utilizza un sistema in serie, facendo flussare il gas in sequenza in tutte e tre le

camere, al fine di ottimizzare i consumi e utilizzare al massimo la miscela di gas.

Il gas all’interno delle camere deve essere mantenuto a pressione atmosferica. Pagina 7

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

Sistema di alimentazione

Le MRPC lavorano a differenze di potenziale di circa 20kV, ma alla base del sistema

ci sono alimentatori di bassa tensione, che forniscono (0 ÷ 5 )V continui.

L’amplificazione della tensione viene effettuata da speciali circuiti, appositamente

calibrati, in grado di variare la tensione di una determinata sorgente di corrente

continua: i convertitori DC/DC.

Sistema elettronico di acquisizione dati

In ordine, partendo dalla strip che lo percepisce, il segale viene trasmesso:

 Alle schede FEA (sistema di Front End), situate ad entrambe le estremità della

camera e cui sono collegate tutte le strip.

 (tramite cavi AMPHENOL)

 Alle schede TDC che, avendo un canale per ciascuna terminazione di ogni

strip (quindi 2 canali per strip), identificano il punto in cui è passata la

particella.

 Alla scheda di Trigger, che determina la contemporaneità dei segnali sulle tre

camere e quindi l’effettivo passaggio di un’unica particella che li abbia generati.

 Al computer che memorizza il dato e crea una cartella ogni 10.000 eventi

 Il tutto collegato ad un GPS, che sincronizza tutti i telescopi del progetto, per

avere un riferimento di tempo assoluto.

Ricapitolando, dal passaggio del muone allo studio dei dati

Di seguito è ricostruito in modo schematico l’intero percorso del segnale, dal

passaggio della particella all’archiviazione dell’evento:

1. Passa la particella carica.

2. Il gas si ionizza creando una coppia elettrone-ione.

3. Grazie alla forza generata dal campo elettrico tra le due armature del

condensatore ( = q ) la coppia si separa, l’elettrone migra all’anodo e lo ione

al catodo, producendo un segnale elettrico misurabile, raccolto dalle strip.

4. La strip invia due segnali, rispettivamente alle due schede di Front End situate

alle estremità opposte della camera; Queste schede hanno il compito di

attenuare il rumore tramite un determinato livello di soglia: se il segnale è

abbastanza forte da essere superiore al livello di soglia, continua ad essere

processato, poiché relativo al passaggio di una particella, altrimenti non viene

trasmesso. Pagina 8

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

5. I segnali passano, tramite cavi Amphenol di uguale lunghezza, alla scheda TDC

che identifica, per ogni camera:

a. la strip che ha sentito l’evento (coordinata X)

b. il punto della strip in cui è passata la particella (coordinata Y), facendo la

differenza dei tempi di arrivo del segnale ai due canali del TDC relativi

alla stessa strip .

6. Il segnale viene contemporaneamente passato alla scheda di trigger che

confronta i tempi dei segnali prodotti da tutte e 3 le camere per determinare se

questi sono stati generati dallo stesso raggio cosmico.

7. Il segnale passa al Computer che archivia gli eventi a gruppi di 10.000 in

apposite cartelle.

8. I dati arrivano infine ai ricercatori e agli studenti che studiano i fenomeni ad

essi legati (es. attività solari). Pagina 9

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

FISICA

VIAGGIARE NEL TEMPO GUARDANDO

LONTANO

La crisi del tempo assoluto: la Relatività

N

el 1676 l’astronomo danese Ole Rømer avanzò per primo l’ipotesi che la luce

viaggi a velocità finita.

Il dato sperimentale che lo condusse a tale teoria fu l’alternarsi irregolare con cui si

osservavano le eclissi delle lune di Giove: partendo dalla formula della velocità

( ) e sapendo che il moto del pianeta (Giove) fa variare la sua distanza (∆s)

dalla terra, l’idea di una velocità costante giustificava la differenza del ritardo (∆t) con

cui si vedevano le eclissi. Successivamente, l’astronomo arrivò addirittura a calcolare

in modo approssimativo il valore corrispondente a tale velocità.

Grazie all’esperimento di Rømer, l’idea che la luce viaggi ad una velocità finita e pari

a si colloca antecedente alla pubblicazione del “Principia mathematica”

di Isaac Newton.

Nel 1864, il fisico scozzese James Maxwell, attraverso la sua teoria

sull’elettromagnetismo espressa con quattro equazioni, predisse che, in un campo

elettromagnetico, potevano verificarsi delle perturbazioni simili ad onde, le quali si

sarebbero propagate ad una velocità fissa che corrispondeva alla velocità della luce.

Il fatto di far viaggiare le onde luminose a velocità costante poneva però il problema

della necessità di un sistema di riferimento assoluto, rispetto al quale fosse possibile

raggiungere un accordo universale riguardo alla velocità di un oggetto.

Per risolvere tale problema fu ipotizzata l’esistenza di una sostanza presente ovunque

(anche nel vuoto) chiamata “etere”, ma l’ipotesi fu successivamente smentita.

Nel 1905, Albert Einstein, fece notare alla comunità scientifica che se si fosse

abbandonata l’idea di un tempo assoluto, non ci sarebbe stato bisogno di postulare

l’esistenza dell’etere.

La teoria della “Relatività ristretta” (o speciale) si basa su due postulati fondamentali:

le leggi della fisica sono le stesse in tutti i

1. PRINCIPIO DI RELATIVITA’:

sistemi inerziali

, non esiste pertanto alcun sistema di riferimento assoluto e il

moto è, anch’esso, sempre relativo. Pagina 10

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo” la velocità della luce nel

2. COSTANZA DELLA VELOCITA’ DELLA LUCE:

vuoto ha lo stesso valore in tutti i sistemi inerziali

, ne consegue che, per

mantenere costante , debbano poter variare ∆t e ∆s, quindi non esista né uno

spazio, né un tempo assoluto.

La teoria della Relatività ci obbliga a considerare spazio e tempo come componenti di

un'unica entità chiamata, appunto, “spazio-tempo”. La relativizzazione di queste due

componenti, porta alla dilatazione dei tempi e alla conseguente contrazione delle

lunghezze. Per quel che interessa a questa trattazione verrà ora preso in esame solo il

fenomeno della dilatazione dei tempi.

Si consideri un orologio relativistico, per cui l’unità corrisponda al tempo impiegato

da un impulso luminoso a compiere un intero tragitto di andata e ritorno tra due

specchi, e due osservatori X e Y, in due sistemi di riferimento distinti, dotati di tale

orologio.

Quando i due sistemi sono in quiete l’uno rispetto all’altro, per un

osservatore in quiete rispetto ai due orologi l’intervallo di tempo L

necessario a compiere l’intero tragitto è dove L è la

c

distanza tra i due specchi, il 2 indica l’andata e il ritorno e è la velocità

della luce.

Supponendo ora che Y sia in moto con velocità costante rispetto a X,

Y trova ancora che l’ intervallo unitario del suo orologio sia , mentre visto da X, il

raggio luminoso dell’orologio di Y segue i due lati obliqui del triangolo isoscele in

figura. M =

La lunghezza del tratto di andata (D) del raggio di luce è per il teorema di Pitagora:

Pagina 11

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

Dato che quindi , in questo caso

=> =>

=> => =

=> = => =

=> = => = =

Per semplicità si indica l’espressione con la lettera (gamma).

=

Per cui il tempo relativistico ( ): 1 => >

Dal momento che è minore di

L’orologio di Y appare a X più lento del suo proprio orologio, si parla quindi di

DILATAZIONE SUI TEMPI: gli orologi in moto rispetto al sistema di riferimento

dell’osservatore risultano più lenti (di un fattore ) rispetto agli orologi in quiete in

quello stesso sistema di riferimento.

Se analizziamo il caso in cui , il fattore diventa uguale a e quindi

matematicamente impossibile; con questo si ottiene un’ulteriore conferma del fatto

c

che sia una velocità limite. Pagina 12

Masini Arianna – 5 L - IIS Nobili “Macchine del tempo”

Se invece analizziamo il caso in cui , notiamo che il fattore è uguale a

ovvero, giungiamo ad un risultato che dimostra, di fatto, la possibilità di viaggiare nel

tempo (almeno in avanti).

Si consideri:

=> =

In questo modo il tempo relativistico si dilata al punto da diventare infinito. Così i

raggi cosmici, che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce, possono arrivare a

noi da tempi ancestrali. I muoni che si generano in alta atmosfera, possono così

percorrere i 15 km necessari per essere rivelati a terra, nonostante abbiano una vita

di circa .

Per concludere citando Einstein:

“Se potessimo viaggiare alla velocità della luce saremmo immortali”

Come si fa a guardare il passato?

S ebbene possa fare uno strano effetto affermare che è possibile viaggiare anche nel

passato, non dobbiamo trattenerci dal considerarlo seriamente.

Tale affermazione, infatti, può essere verificata da chiunque quotidianamente,

accettando come prova sperimentale un esperimento mentale, simile a quello

illustrato prima nella dimostrazione della Relatività.

Dalla Relatività sappiamo che la vita propria di un fotone è infinita, pertanto, questo

può viaggiare nello spazio-tempo all’infinito.

Si pensi ora ad una notte stellata, di certo tutti sanno di quale meraviglioso spettacolo

sto parlando, quello che però molti ignorano è che, guardando il cielo, si volge anche

lo sguardo ad una moltitudine di momenti passati: si guarda indietro nel tempo.

Sappiamo che la volta celeste non è una sfera uniforme su cui sono cucite le stelle, ma

che in realtà tali stelle sono situate ad enormi distanze tra loro e da noi; a ciò

consegue che i fotoni che arrivano contemporaneamente al nostro occhio in un

determinato momento, in realtà sono partiti in momenti diversi e hanno viaggiato per

tempi e distanze diverse.

Questo, fa sì che la nostra visione dell’universo sia asincrona: se una stella dista