L'enigma dei raggi cosmici
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L’enigma
dei raggi cosmici
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Victor Hess, Domenico Pacini, Bruno Rossi e la storia dei misteriosi
raggi cosmici in un recente libro di Alessandro De Angelis
di Luisa Bonolis
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LUISA BONOLIS scopi, pur accurata- nizzazione a livelli ancora superiori,
svolge da molti anni mente isolati, continua- ma i risultati non furono conclusivi a
ricerche sulla Storia vano a scaricarsi se- causa della strumentazione inadegua-
della Fisica del No- gnalando la presenza di ta. Per oltre un decennio, esperimenti
vecento, con parti- cariche elettriche che io- condotti da fisici di vari Paesi europei
colare attenzione a nizzavano l’aria all’in- portarono a risultati contraddittori. Uti-
personaggi e vicen- terno degli schermi me- lizzando strumenti in grado di soppor-
de di quella italiana. tallici. Tra la fine del- tare gli sbalzi di temperatura e pres-
Si dedica regolar- l’Ottocento e l’inizio del No- sione caratteristici delle quote elevate,
mente alla raccolta di testimonianze vecento erano stati scoperti i raggi X e il fisico austriaco Victor Hess organizzò
orali, parte delle quali sono state rac- l’emissione spontanea di radiazioni io- tra il 1910 e il 1913 una decina di spe-
colte in vari volumi. Pubblica sulla nizzanti di vario tipo da parte di ele- dizioni in pallone trovando che inizial-
rivista Sapere e ha collaborato alla
menti radioattivi come l’uranio. Appa- mente la ionizzazione diminuiva con
realizzazione di numerosi documen-
riva naturale pensare che una radia- l’altitudine, ma poi iniziava ad au-
tari di storia della scienza.
zione così penetrante provenisse dalla mentare rapidamente. All’altezza di
crosta terrestre, ricca di minerali di varie miglia, la ionizzazione risultava
Cento anni fa il fisico austriaco Victor questo tipo. molto maggiore di quella presente sul-
Hess saliva a oltre 5000 metri di quo- Nel 1910 Theodore Wulf aveva misu- la superficie terrestre. Un esperimen-
ta a bordo di un pallone trasportando rato la ionizzazione in cima alla Torre to decisivo fu effettuato da Hess il 7
con sé una serie di strumenti per mi- Eiffel trovando un valore superiore a agosto del 1912. Il pallone volò per due
surare la ionizzazione dell’aria. Hess quanto ci si sarebbe dovuto aspettare ore e mezza, superando la quota di
era uno studioso di radioattività e di se l’effetto fosse stato da attribuire sol- 5.000 metri: a quelle altitudini la io-
elettricità atmosferica, incuriosito da tanto alla radiazione emessa dal suo- nizzazione risultò doppia rispetto ai
un fenomeno frequentemente rilevato lo. Altri scienziati montarono i loro valori misurati a terra. Hess fu quindi
già nel corso dell’Ottocento: gli elettro- strumenti su palloni per registrare la io- in grado di trarre la seguente conclu-
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re negli anni ’30 Enrico Fermi, Fran-
co Rasetti e il gruppo dei loro giova-
nissimi collaboratori. Nell’agosto del
1905 Pacini ottenne un posto di ruolo
come assistente al Regio Ufficio Cen-
trale di Meteorologia e Geodinamica, da
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cui si dimise nel 1928, quando ebbe un
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incarico all’Università di Bari, dove di-
venne direttore dell’Istituto di Fisica.
Il contributo di Domenico Pacini alla
Fisica riguardò inizialmente aspetti
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geofisici come lo studio della radia-
zione solare, del magnetismo terrestre
e della meteorologia. Le sue ricerche
sulla conducibilità elettrica attraverso
i gas gli permisero successivamente
di acquisire una profonda competen-
za della strumentazione necessaria a
Victor Hess nel 1912, in procinto di partire con il suo pallone aerostatico misurare i bassi livelli di ionizzazione
che si riscontrano nel campo della ra-
dioattività ambientale e dell’elettricità
sione: “I risultati delle mie osserva- Domenico Pacini era nato il 20 feb- atmosferica.
zioni si spiegano meglio assumendo braio 1878 a Marino (Roma) e si era Furono proprio queste conoscenze che
che una radiazione di alto potere io- laureato in Fisica nel 1902 all’Univer- gli consentirono di portare un contri-
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nizzante entri dall’alto nella nostra sità di Roma, dove aveva lavorato per buto estremamente originale nell’am-
atmosfera”. Voli successivi effettuati qualche tempo come assistente di Pie- bito dell’enigma della ionizzazione re-
dal tedesco Werner Kolhörster confer- tro Blaserna, direttore dell’Istituto di Fi- sidua all’interno degli schermi che rac-
marono che la radiazione penetrante a sica di via Panisperna, da lui stesso chiudevano gli elettroscopi. Nel perio-
9 chilometri di altezza era 10 volte su- progettato secondo i più moderni det- do dal 1907 al 1911, Pacini effettuò di-
periore a quella a terra e che la sua ca- tami dell’epoca e destinato ad ospita- verse misure sistematiche della con-
pacità di essere assorbita da schermi
metallici risultava di gran lunga infe-
riore rispetto a quella dei raggi gamma
di origine naturale, i più penetranti co-
nosciuti all’epoca.
Seppure insignito soltanto nel 1936
del premio Nobel per la Fisica, Victor
Hess è universalmente considerato lo
scopritore della radiazione extrater-
restre, che lui stesso aveva inizial-
mente denominato Höhenstrahlung
(radiazione dall’alto) e che successi-
vamente il fisico americano Robert Mil-
likan aveva felicemente ribattezzato
raggi cosmici. Tuttavia negli stessi an-
ni, e perfino con qualche anticipo ri-
spetto a Hess, l’italiano Domenico Pa-
cini era giunto indipendentemente al-
le stesse conclusioni seguendo una li-
nea di ricerca del tutto diversa. Domenico Pacini nel maggio del 1910
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ducibilità dell’aria. Per stabilire la va- quella del fondo erano trascurabili. La che avrebbe dovuto condividere a giu-
riazione della velocità di scarica di un spiegazione sembra essere che, a cau- sto titolo con lo scienziato austriaco.
elettroscopio – e quindi dell’intensità sa del potere assorbente dell’acqua e Nel volume L’enigma dei raggi cosmici.
della radiazione – Pacini effettuò una della quantità minima di sostanze ra- Le più grandi energie dell’universo
serie di misure sulla superficie terrestre dioattive in mare, l’assorbimento del- (Springer, Milano, 2011) scritto dall’a-
e confrontò questi dati con quelli otte- la radiazione proveniente dall’esterno strofisico Alessandro De Angelis, la vi-
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nuti sulla superficie del mare, nel golfo avviene, dunque, quando l’apparec- cenda di Pacini, sostanzialmente sco-
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di Livorno, rilevati a bordo del caccia- chio è immerso”. nosciuta, viene ricollocata con dovizia
torpediniere “Fulmine” (una nave del- In questo stesso periodo, Hess stava di particolari e in tutta la sua impor-
la Marina Militare italiana). studiando l’andamento della radiazio- tanza storica nel contesto delle vicende
Studi accurati dimostrarono che la io- ne con l’altezza scoprendo che l’elet- che portarono i fisici europei a ricono-
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nizzazione sulla superficie del mare, a troscopio si scaricava più velocemen- scere l’esistenza di una radiazione ex-
300 metri dalla spiaggia, era circa due te con l’aumentare dell’altitudine. Que- traterrestre estremamente penetrante,
terzi della ionizzazione a terra. In di- sti risultati confermavano quanto Pa- che bombarda incessantemente la su-
saccordo rispetto al punto di vista do- cini stesso aveva scoperto nell’ultima perficie del nostro pianeta. Con un lin-
minante all’epoca, i risultati supporta- serie di osservazioni riguardo l’esi- guaggio chiaro e rigoroso, che non si
vano sostanzialmente l’idea che una stenza nell’atmosfera di “una sensibi- sottrae al difficile compito di comunicare
parte non trascurabile della radiazio- le causa ionizzante, con radiazioni pe- i dettagli tecnici necessari a compren-
ne penetrante fosse indipendente dal- netranti, indipendente dall’azione di- dere una delle più straordinarie e affa-
l’emissione del suolo. Pacini concluse retta delle sostanze radioattive nel scinanti avventure scientifiche del No-
coraggiosamente, che “dai risultati qui terreno”. La nota di Pacini intitolata vecento, De Angelis ripercorre in una
ottenuti appare che una parte non pic- “La radiazione penetrante alla super- forma narrativa molto coinvolgente tut-
cola della radiazione penetrante pre- ficie ed in seno alle acque”, pubblica- ta la vicenda legata alle ricerche sui
sente nell’aria, e in modo particolare ta sul Nuovo Cimento nel febbraio del raggi cosmici attraverso una mirabile
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quella parte che è soggetta ad oscilla- 1912, segnava l’inizio della tecnica su- cavalcata storica che arriva fino ai gior-
zioni anche notevoli, ha origine indi- bacquea per gli studi dei raggi cosmi- ni nostri dando ampio spazio alla ini-
pendente dall’azione diretta delle so- ci, una tecnica che continua ad essere ziale fase pionieristica.
stanze attive contenute negli strati su- impiegata ancora oggi. Una volta riconosciutane l’origine ex-
periori della crosta terrestre”. L’anno Queste ricerche furono però pratica- traterrestre, gli scienziati che lavorava-
successivo, nel giugno 1911, Pacini mi- mente dimenticate. Pacini morì a Roma no sui raggi cosmici si occuparono prin-
se a punto una tecnica per misurare il 23 maggio 1934, due anni prima del cipalmente degli aspetti geofisici del fe-
l’intensità della radiazione in profondità conferimento del Nobel a Hess, premio nomeno. Venivano investigate caratte-
racchiudendo l’apparecchio in una sca- ristiche diverse come l’intensità, la di-
tola di rame per poterlo immergere al- stribuzione, l’assorbimento e la dif-
la profondità di 3 metri dalla superfi- fusione di questa radiazione mentre
cie del mare (e a 8 m di distanza dal la questione riguardante la sua na-
fondo). Eseguì l’esperienza a 300 me- tura non suscitava un reale interes-
tri dalla costa livornese, nello stesso se. In virtù della loro straordinaria ca-
luogo dell’anno precedente. Con lo stes- pacità di penetrazione, era opinione
so dispositivo eseguì nuove osserva- diffusa che i raggi cosmici fossero in
zioni di questo tipo anche nel lago di realtà raggi gamma analoghi a quelli
Bracciano, a nord di Roma, trovando di emessi da sorgenti radioattive ma di
nuovo che la radiazione si attenuava di energia ancora più elevata.
circa il 20% in profondità, in linea con Un esperimento cruciale, eseguito tra
l’assorbimento da parte dell’acqua di il 1928 e il 1929 dai fisici tedeschi
una radiazione proveniente dall’ester- Walter Bothe e Werner Kolhörster, sug-
no. Pacini fu quindi in grado di mette- geriva invece che i raggi cosmici a li-
re in evidenza che nelle condizioni in vello del mare dovessero avere natura
cui erano state condotte entrambe le corpuscolare mettendo in serio dub-
esperienze “l’azione della superficie e bio la teoria sostenuta in particolare dal
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fisico americano Robert Millikan che li
considerava radiazione “ultra-gamma”
prodotta dalla fusione di elementi leg-
geri nelle profondità dello spazio in-
terstellare. Le ricerche di Bothe e
Kolhörster si basavano sull’uso di un
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nuovo strumento, il contatore Geiger-
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Müller, che permetteva di rilevare le
radiazioni di debole intensità che ca-
ratterizzavano i raggi cosmici e che fu
da loro utilizzato per rilevare impulsi
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che segnalavano la produzione di due
eventi simultanei prodotti in due di-
spositivi di questo tipo.
Si pensava che, interagendo con la ma-
teria, la radiazione ultra-gamma avreb- L’apparato sperimentale usato nel 1929 da Walther Bothe e Werner Kolhörster
be provocato l’espulsione di elettroni at- per verificare la natura dei raggi cosmici. Le coincidenze tra i due contatori Z1 e Z2
traverso il cosiddetto effetto Compton, sono prodotte da raggi cosmici che attraversano entrambi i contatori. Le osservazioni
furono fatte con e senza l’assorbitore di oro. Le coincidenze osservate dimostravano
a quel tempo l’unico processo cono- l’esistenza di particelle capaci di attraversare 4,1 cm di un metallo ad alta densità
sciuto di interazione dei raggi gamma
con la materia. Per studiare la radia-
zione secondaria prodotta dalla radia- di Arcetri come assistente del diretto- italiana. I risultati e le straordinarie
zione ultra-gamma, i fisici tedeschi re Antonio Garbasso, l’articolo fu “co- conclusioni degli esperimenti di Bothe
Walther Bothe e Werner Kolhörster col- me un fascio di luce che rivela l’esi- e Kolhörster, che mettevano in serio
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locarono due contatori Geiger-Müller stenza di un mondo insospettato, pie- dubbio la teoria dei raggi cosmici come
uno sopra l’altro, interponendo tra lo- no di misteri e ancora inesplorato”. radiazione “ultra-gamma”, suscitarono
ro spessori crescenti di lastre di piom- Bruno Rossi era nato nel 1905 a Ve- comprensibilmente l’entusiasmo di
bo e registrarono il numero di conteg- nezia dove aveva trascorso la sua in- Rossi. Concentrandosi sui nuovi pro-
gi simultanei segnalati dai due stru- fanzia sperimentando precocemente blemi sollevati da questo lavoro, il gio-
menti. Data la bassa capacità di pene- un senso di meraviglia verso il mondo vanissimo fisico sentì che un progetto
trazione degli elettroni Compton, que- che lo circondava. Nella prefazione al- di ricerca per il quale non erano ne-
sti avrebbero dovuto essere completa- la sua autobiografia, Momenti nella vi- cessari fondi consistenti poteva essere
menti catturati da un materiale assor- ta di uno scienziato, Rossi accennò ai decisamente alla sua portata: “Che co-
bente, anche molto sottile, posto tra i suoi sentimenti personali riguardo la sa erano dunque questi corpuscoli del-
due strumenti di rivelazione. Al con- scelta della Fisica: “Questo fascino per la radiazione cosmica? Erano parti-
trario, i due fisici osservarono con enor- i segreti della Natura è la ragione per celle della stessa natura delle parti-
me stupore che i presunti elettroni se- cui sono stato un fisico sperimentale. celle già note, solo dotate di maggiore
condari erano in grado di attraversa- È la ragione per cui, per me, i momenti energia? O erano particelle di natura
re una lastra spessa 4 cm di un metal- più eccitanti sono stati quelli in cui un completamente diversa? E quali erano
lo assai denso come l’oro generando un esperimento ha fornito un risultato le loro proprietà?”. Problemi di questo
segnale in coincidenza nei due conta- contrario a tutte le previsioni, dimo- genere erano quelli che aveva sognato
tori Geiger-Müller, segnale che poteva strando così che le ricchezze della Na- di affrontare all’inizio della sua carrie-
essere attribuito esclusivamente al pas- tura superano di gran lunga l’imma- ra di ricercatore. Ora il suo sogno pro-
saggio di un singolo corpuscolo. ginazione umana”. metteva di avverarsi. Con questa scel-
Nell’autunno del 1929, Bothe e Kolhör- Anche ad Arcetri stava per aprirsi una ta, Rossi era destinato a collocarsi al-
ster pubblicarono un articolo in cui linea di ricerca che, accanto al filone l’avanguardia della ricerca scientifica
presentavano le loro ricerche e i sor- nucleare che di lì a poco sarebbe dive- dell’epoca e a diventare uno dei padri
prendenti risultati che ne erano deri- nuto il cavallo di battaglia del gruppo della Fisica del Novecento.
vati. Per il giovanissimo Bruno Rossi, Fermi a Roma, si sarebbe trasformata Mettendo a punto quello che diventerà
arrivato di recente all’Istituto di Fisica in una grande tradizione della Fisica universalmente noto come circuito di
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coincidenze alla Rossi, in grado di ri-
velare il passaggio simultaneo di even-
tuali particelle cariche attraverso un
numero arbitrario di contatori collega-
ti a valvole elettroniche che regolavano
il regime di coincidenza, Rossi compì il
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primo passo del suo programma di ri-
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cerca, volto a confermare l’ipotesi del-
la natura corpuscolare dei raggi cosmici
e a comprendere il comportamento di
questa misteriosa radiazione. Come Ga-
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lileo, che utilizzò le lenti per costruire
occhi più potenti per guardare oltre il
nostro pianeta, Rossi trasformò il con-
tatore Geiger-Müller in un “telescopio”
per raggi cosmici, un rivelatore per le
particelle provenienti dallo spazio
profondo. La possibilità di collocare
Bruno Rossi e Enrico Fermi (da sinistra a destra) durante il Convegno internazio-
contatori secondo geometrie variabili,
interponendo tra essi degli assorbitori
nale di Fisica nucleare organizzato a Roma nel 1931
metallici, stava aprendo una via del tut-
to inedita nello studio dell’interazione
tra raggi cosmici e materia, un passo si- Per verificare la natura corpuscolare Problemi logistici, dovuti anche alla
gnificativo verso la comprensione del dei raggi cosmici, Rossi aveva anche lentezza con cui furono erogati i fondi,
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mondo delle particelle subnucleari e cercato di comprendere cosa accade fecero sì che quando le osservazioni di
delle forze fondamentali che le gover- quando un flusso di particelle cariche, Rossi e del suo collaboratore Sergio De
nano. Le investigazioni di Rossi, con- inizialmente proveniente da tutte le di- Benedetti dimostrarono l’esistenza del-
dotte nel periodo compreso tra il 1930 rezioni, entra nel campo magnetico l’effetto est-ovest nell’autunno del 1933,
e la fine del 1932, ebbero anche un della Terra subendone l’influenza. Nel due articoli che riportavano analoghe
ruolo fondamentale nell’individuare l’e- 1930 Rossi aveva quindi congetturato osservazioni erano già comparsi ad
sistenza di due componenti di natura l’esistenza dell’effetto est-ovest, un ul- opera degli statunitensi Arthur Comp-
assai diversa presenti nei raggi cosmi- teriore fenomeno geomagnetico che si ton (con il suo collaboratore Luis Al-
ci rivelati al livello del mare. Una prima sarebbe aggiunto all’effetto di latitudi- varez) e Thomas H. Johnson. Questi
componente dura risultò in grado di at- ne (riguardante una dipendenza della risultati non soltanto costituivano una
traversare uno schermo costituito da intensità dei raggi cosmici dalla latitu- conferma della natura corpuscolare dei
un metro di piombo (corrispondente ad dine geomagnetica), già predetto ma raggi cosmici ma indicavano che le
uno spessore superiore a quello del- non ancora pienamente verificato a particelle avevano carica positiva, con-
l’atmosfera terrestre) dopo essere sta- quel tempo. Secondo Rossi, l’effetto est- trariamente alle aspettative dei soste-
ta filtrata da uno schermo metallico ovest si sarebbe manifestato con un’a- nitori dell’ipotesi corpuscolare secon-
spesso dieci centimetri. Un’altra serie di simmetria nell’intensità dei raggi co- do cui doveva trattarsi con tutta pro-
esperimenti mise in luce l’esistenza di smici rispetto al piano del meridiano babilità di elettroni dotati di energie
una componente molle, generata nel- geomagnetico, con una prevalenza di molto elevate. Rossi e De Benedetti os-
l’atmosfera dai raggi cosmici primari e corpuscoli provenienti da Est se di ca- servarono anche un fenomeno del tut-
capace successivamente di produrre rica negativa o da Ovest, se di carica po- to nuovo: di quando in quando, rivela-
cascate di particelle in uno schermo di sitiva. L’effetto sarebbe stato più facil- tori posti anche a grande distanza ve-
metallo prima di essere assorbita. La mente osservabile alle basse latitudini nivano colpiti da gruppi di particelle; si
componente assai penetrante sarà iden- e ad alta quota. Nell’autunno del 1933, trattava della prima osservazione dei
tificata molti anni dopo con il muone, coadiuvato da Sergio De Benedetti, Ros- grandi sciami atmosferici generati dal-
una particella analoga all’elettrone, ma si riuscì ad organizzare la spedizione in l’impatto dei raggi cosmici primari con
avente una massa più elevata. Eritrea programmata già da tempo. l’atmosfera terrestre. “Riscoperti” qual-
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che anno più tardi da Pierre Auger, an- ticelle elementari. I raggi cosmici, nel e il fisico britannico Patrick Blackett
cora oggi costituiscono una fonda- fornire una fonte naturale di particel- (all’epoca uno dei maggiori esperti di
mentale sorgente di informazione sul- le di altissima energia, furono infatti per questo dispositivo) utilizzarono la tec-
l’energia dei raggi cosmici primari. lungo tempo lo strumento principe per nica delle coincidenze alla Rossi per
Nel frattempo il fisico statunitense lo studio dei costituenti fondamentali far azionare la loro camera a nebbia nel
Arthur Compton, stimolato dalla rela- della materia. Grazie ai raggi cosmici momento stesso del passaggio delle
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zione di Rossi tenuta al Convegno di Fi- furono fatte una serie di scoperte fon- particelle dei raggi cosmici, ottimiz-
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sica nucleare organizzato a Roma da damentali nella storia della Fisica del- zando grandemente l’uso di questo
Fermi nel 1931, aveva progettato una le particelle, la prima delle quali fu la strumento e facendolo diventare una
vasta campagna per la verifica dell’ef- dimostrazione dell’esistenza dell’anti- pratica diffusa anche nel campo della
fetto di latitudine. Alla fine del 1933, la materia. Il positrone, l’antiparticella Fisica nucleare. Oltre a confermare
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natura corpuscolare dei raggi cosmici dell’elettrone, fu individuata dal fisico l’osservazione di Anderson, le tracce
trovava una concreta definitiva con- americano Carl Anderson attraverso degli sciami di particelle generate nel
ferma in una serie di esperimenti con- le tracce lasciate lungo il suo cammino metallo della camera (già osservate da
dotti in diverse parti della Terra attra- all’interno della camera a nebbia col- Rossi con il metodo delle coincidenze)
verso la collaborazione di una vasta locata in un forte campo magnetico che fornirono una chiara evidenza dell’e-
rete di ricercatori. ne curvava la traiettoria rivelandone il sistenza del processo di trasformazio-
Queste scoperte, nel concludere un pe- segno della carica. ne di energia in materia regolata dal-
riodo eroico dedicato alla comprensio- La camera a nebbia è uno strumento l’equazione E=mc2 di Einstein, visua-
ne della natura corpuscolare dei raggi che, accanto al contatore Geiger-Mül- lizzando la creazione di coppie di par-
cosmici, aprono un nuovo capitolo a cui ler, ha rivoluzionato completamente i ticelle e antiparticelle come previsto
è dedicata la parte centrale del libro di metodi di indagine nel campo della Fi- dalla teoria proposta da Dirac nel 1928.
De Angelis, dove si narrano gli albori sica sperimentale. Nel 1932, Giuseppe L’esistenza di anti-particelle per tutte le
e i primi sviluppi della Fisica delle par- Occhialini, allievo di Rossi ad Arcetri, particelle elementari di materia esi-
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A sinistra è visibile la traccia lasciata da un positrone proveniente dal basso della camera a nebbia immersa in un poten-
te campo magnetico; la perdita di energia nell’attraversare il setto metallico al centro è segnalata dal variare del suo raggio
di curvatura. A destra, le tracce degli sciami prodotti dall’interazione dei raggi cosmici con il metallo della camera comandata
da un circuito di coincidenza messa a punto da Blackett e Occhialini; alcune di loro mostrano la contemporanea produzione
di coppie elettrone-positrone segnalate da tracce che si biforcano in direzioni opposte
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stenti nell’universo apriva un capitolo fino al grande Large Hadron Collider abbastanza noto che ha sempre fatto
della Fisica del tutto nuovo. Gli studio- del CERN, dove si scontrano due fasci la parte del leone nei racconti dedica-
si di raggi cosmici avrebbero cercato le di protoni dotati delle più alte energie ti al grande pubblico. Ma quando i rag-
tracce lasciate dal passaggio di questi prodotte artificialmente in un labora- gi cosmici furono spodestati come sor-
messaggeri del mondo microscopico torio terrestre. È di questi giorni la sco- gente di particelle di alta energia, non
con nuovi strumenti e tecniche che si perta di una particella che ha le carat- tutti i fisici si trasferirono a fare ricer-
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sono notevolmente evoluti nel corso teristiche del bosone di Higgs, una par- ca con le macchine acceleratrici. Alcuni
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del tempo, in particolare nel dopo- ticella prevista dalla teoria del model- di loro restarono profondamente le-
guerra, attraverso l’enorme sviluppo lo standard delle particelle elementari, gati alla natura “cosmica” di queste
dell’Elettronica. Grazie ai raggi cosmi- che corona molti anni di sforzi teorici ricerche.
ci, un vero e proprio zoo di particelle e sperimentali e costituisce un mo- Nel corso di un secolo è stata accumu-
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fu individuato nel corso del tempo fino mento altissimo ed emozionante della lata una enorme quantità di conoscen-
agli anni Cinquanta, quando furono ricerca in questo settore. ze sulla radiazione primaria e la ricer-
soppiantati dalle sorgenti artificiali for- L’identificazione tra le ricerche sui rag- ca con i raggi cosmici è ormai una scien-
nite da acceleratori sempre più poten- gi cosmici e lo sviluppo della Fisica za matura. Oggi sappiamo che la mag-
ti. Acceleratori che si sono sviluppati delle particelle costituisce un aspetto gior parte della componente elettrica-
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L’osservatorio internazionale per raggi cosmici “Pierre Auger” progettato per rivelare particelle di energie superiori a 1020 eV
(circa l’energia di una palla da tennis che viaggia a 80/km orari). Si stima che solo una di queste particelle per km2 raggiunga la
superficie terrestre in un secolo, viaggiando a velocità prossime a quelle della luce. Per aumentare la probabilità di registrare un
gran numero di eventi di questo tipo, l’osservatorio ha un’area che supera i 3000 km2. Attualmente quasi 500 fisici di 55 istituzio-
ni di 15 Paesi di tutto il mondo collaborano al mantenimento del sito e alla raccolta e analisi dei dati
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mente carica dei raggi cosmici (circa il accelerano fino alle altissime energie fondo e di individuare con più facilità
90%) è costituita da protoni. I raggi co- osservate, trasferirono l’attenzione sul- le sorgenti dei rarissimi eventi di altis-
smici hanno uno spettro di energia che l’universo stesso come grande labora- sima energia. Oltre ai fotoni gamma, un
si estende fino a valori straordinari; la torio di cui il nostro stesso pianeta di- altro importante strumento di indagi-
loro isotropia è la conseguenza dei cam- ventava parte integrante. La scienza ne è costituito dai neutrini. Queste par-
pi magnetici che permeano la nostra ga- che si occupa dei raggi cosmici si è tra- ticelle interagiscono molto poco con la
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lassia e lo spazio intergalattico. Questi sformata ormai in un settore di ricer- materia. Viaggiando in linea retta, con-
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campi deviano la traiettoria delle par- ca caratterizzato da una tendenza ad sentono di guardare l’universo in gran-
ticelle cariche rimescolando continua- evolversi continuamente per studiare de profondità, anche se per osservarli
mente le loro direzioni. Per individua- con strumenti molto più sofisticati que- è necessario costruire rivelatori gigan-
re radiazioni e particelle di varia natu- sti messaggeri che arrivano da miste- teschi (dell’ordine del chilometro cubo),
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ra provenienti dallo spazio profondo riose sorgenti presenti in varie parti come quelli che si trovano all’interno
vengono messi a punto esperimenti che dell’universo. Uno degli scopi è attual- dei ghiacci antartici o nelle acque del
utilizzano palloni, satelliti e razzi. Per in- mente quello di individuare i motori Mediterraneo. Oggi si ritiene che i rag-
dividuare i grandi sciami prodotti dal- cosmici in grado di imprimere energie gi cosmici siano accelerati in corri-
l’interazione dei raggi cosmici primari inimmaginabili per qualsiasi accelera- spondenza dei processi più violenti del-
con l’atmosfera terrestre sono stati mes- tore terrestre. l’universo. È opinione diffusa che la
si a punto progetti che si estendono su Il problema centrale della Fisica dei maggior parte dei raggi cosmici sia ac-
aree della dimensione di migliaia di raggi cosmici rimane infatti ancora og- celerata nel corso delle esplosioni di
chilometri quadrati, come il grande os- gi un problema aperto. Qual è la loro supernova. Perfino le onde gravitazio-
servatorio cosmico “Pierre Auger”, nel- origine? Come ottengono le loro straor- nali, mai rivelate fino a oggi, potrebbero
la pampa argentina. Risalendo all’e- dinarie energie? A questi interrogativi aggiungersi al ventaglio dei messagge-
nergia dei primari, è infatti possibile si affianca l’enigma che riguarda la co- ri cosmici fornendoci informazioni su
formulare ipotesi sulla natura delle sor- siddetta materia oscura. Questa forma eventi catastrofici che coinvolgono
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genti e sui meccanismi con cui i raggi di materia, che si pensa costituisca cir- grandi masse che interagiscono attra-
cosmici sono accelerati. ca un quarto del contenuto totale di verso la più debole delle interazioni, la
Uno dei punti di forza del libro di De energia dell’universo e circa il 90% del- forza gravitazionale. In Italia, a Pisa, si
Angelis è proprio quello di mettere mol- la sua massa, manifesta i suoi effetti trova “Virgo”, uno dei tre grandi in-
to bene in luce come le energie estre- gravitazionali in una serie di fenome- terferometri esistenti al mondo, gli stru-
me di cui sono dotate queste particel- ni astronomici ma la sua natura costi- menti costruiti per rivelare il passaggio
le, e in genere i fotoni di altissima ener- tuisce uno dei principali misteri della di un’onda gravitazionale.
gia che arrivano dallo spazio, hanno Fisica moderna. Studiare i segnali di Insomma, come sottolinea l’autore, “le
sempre fatto dei raggi cosmici i prota- vario tipo provenienti dallo spazio si- sorprese che potrà ancora regalare
gonisti della ricerca nel campo della gnifica ormai indagare sulla natura e l’universo nell’osservazione di questi
Fisica fondamentale. Questi aspetti as- sulle origini stesse del nostro universo. fenomeni sono il premio di cui potran-
sai meno conosciuti sono un elemento Nell’ultimo interessante capitolo, “La no godere gli scienziati che con pa-
di grande novità nel panorama della fisica dei raggi cosmici oggi”, Ales- zienza e sempre maggior competenza
buona divulgazione. L’evoluzione ini- sandro De Angelis spiega appunto co- investiranno nella ricerca in questo
ziale della Fisica dei raggi cosmici di me i raggi cosmici siano uno strumento ramo all’incrocio tra l’astrofisica e la
fatto ha generato due nuove scienze, la di primo piano in particolare grazie fisica delle particelle. È proprio la po-
Fisica delle particelle elementari e l’A- al nuovo affascinante campo di inda- tenzialità di scoperta di questo nuovo
strofisica dei raggi cosmici. Nel corso gine costituito dalla cosiddetta Fisica settore che sta attirando un numero
di questa trasformazione questo cam- astroparticellare, un settore interdi- sempre maggiore di giovani scienzia-
po di ricerca ha acquistato via via un sciplinare che oggi riunisce in sé Astro- ti, e che porta allo sviluppo di nuove
ruolo molto più ricco e articolato. Men- fisica, Cosmologia e Fisica delle parti- idee, alla realizzazione di nuove tec-
tre la Fisica dei raggi cosmici si spo- celle elementari. nologie e all’individuazione di nuovi
stava sempre più verso l’Astrofisica, il Nuove tecniche, come quella di studia- misteri. E abbiamo la coscienza che i
problema delle fonti da cui hanno ori- re l’emissione di luce Cherenkov da rivelatori che abbiamo costruito in
gine le particelle che arrivano dallo parte delle particelle cariche di uno questa generazione sono le vedette
spazio, insieme ai meccanismi che le sciame, consentono di indagare più a dei confini dell’universo”.
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