Articolo di Anna Wackermann, Carola Brambilla e Lucrezia Tonelli (Liceo Scientifico Falcone e Borsellino, Arese) a conclusione del progetto PCTO “Rivelazione di raggi cosmici” presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Milano (INAF IASF Milano); quinto progetto della serie inaugurata nel 2023 fra ricerca e comunicazione della scienza. Il progetto ha visto anche la partecipazione di Niccolò Toffoletti (Liceo Scientifico Leonardo da Vinci, Milano) alla prima settimana delle attività. Ringraziamo Anna, Carola, Lucrezia, Niccolò e le loro scuole di provenienza per questa avventura insieme.
Sapevi che ogni giorno siamo attraversati da raggi cosmici? E che esistono diversi modi per rivelarli? Noi adesso sì.
Siamo Anna, Carola e Lucrezia e in questo articolo vi racconteremo cosa abbiamo imparato presso l’INAF-IASF di Milano durante il nostro PCTO dal 10 al 21 febbraio 2025.
Cominciamo con un po’ di storia: nel XX secolo si è intuita l’esistenza di una radiazione misteriosa che interagiva con alcuni rivelatori, in particolar modo l’elettroscopio, uno strumento utilizzato per testare se un oggetto ha carica elettrica.
Sono state effettuate delle misurazioni di questa radiazione (in seguito chiamata ‘raggi cosmici’) a diverse altitudini e profondità marine per comprenderne la provenienza. Nel 1911, il fisico Domenico Pacini calò in mare un elettroscopio scoprendo che all’aumentare della profondità diminuivano i conteggi. Egli ipotizzò dunque che i raggi cosmici non provenissero dal terreno ma dall’atmosfera (Nuovo Cimento VI/3 93, 1912). Nel 1912, lo scienziato Victor Hess fece un esperimento analogo a bordo di una mongolfiera, scoprendo che il numero dei conteggi aumenta con l’altezza. Hess arrivò alla conclusione che i raggi cosmici non provengono neanche dall’atmosfera, bensì dal Cosmo, e interagiscono con essa creando altre particelle.
Noi abbiamo avuto la possibilità di sviluppare un rivelatore di raggi cosmici in pochi giorni senza dover salpare o volare su una mongolfiera. Il processo di realizzazione è iniziato con alcune esercitazioni sui software gratuiti LTspice e KiCAD, che ci hanno permesso di familiarizzare con il circuito elettrico. Abbiamo poi avuto il nostro primo approccio in laboratorio con le breadboard (che permettono di inserire le componenti senza dover saldare), esercitandoci a fare i primi collegamenti e testando il funzionamento del circuito. In seguito ci siamo munite di occhiali, guanti, mascherina e saldatore a stagno per saldare i vari componenti sulla scheda finale, calandoci nei panni di veri ricercatori e ricercatrici.
Una volta completata la realizzazione del rivelatore, abbiamo iniziato le misure, disponendo gli strumenti prima in orizzontale (per la misurazione del fondo), poi in verticale e infine inclinati a coppie a 60° e 30° per testarne l’effetto sul conteggio finale. Ogni configurazione è stata tenuta per circa un giorno. Dal momento che i raggi cosmici arrivano prevalentemente dall’alto, ci aspettavamo un conteggio maggiore nella configurazione verticale. Cosa che abbiamo effettivamente riscontrato, come si può vedere nel grafico seguente.
Ma cos’è effettivamente un raggio cosmico? Come dice il nome è qualcosa che proviene dal Cosmo, ma, al posto di essere un raggio vero e proprio, come si pensava, sono delle particelle, per lo più protoni (che generalmente si trovano nei nuclei degli atomi e hanno carica positiva). Questi, detti raggi cosmici primari, vengono accelerati e giungono sulla Terra dove interagiscono con gli atomi dell’atmosfera, generando i cosiddetti ‘sciami’, ovvero cascate di particelle (raggi cosmici secondari): kaoni, pioni, elettroni, neutroni, neutrini, muoni.
Gli strumenti che abbiamo costruito (uno a testa), rivelano i muoni, parenti dei più noti elettroni, utilizzando due tubi Geiger–Müller. Questi tubi contengono un gas particolare che permette la rivelazione dei muoni, segnalandone il passaggio nel resto del circuito. Abbiamo usato due tubi perché è necessario che si riscontri una coincidenza tra i segnali: se l’evento non si verifica in entrambi significa che molto probabilmente non è un muone (dal cielo) ma radiazione ambientale proveniente da tutte le direzioni.
Ma da dove provengono questi raggi cosmici primari? Alcuni da esplosioni di supernova, altri dai getti di materia provenienti da buchi neri, e altri ancora dal Sole. Non è però possibile risalire alla sorgente precisa che li ha emessi e/o accelerati poiché, essendo particelle cariche, il loro tragitto è influenzato dai campi magnetici che incontrano strada facendo.
Però niente paura, i raggi cosmici secondari – quelli che arrivano al suolo, come i muoni – non sono dannosi per la nostra salute e non determinano cambiamenti nella nostra vita quotidiana. Proprio in questo momento, raggi cosmici secondari ti stanno attraversando e nemmeno lo sai. Altra storia sono i raggi cosmici primari che possono essere nocivi per gli/le astronauti/e.
Troviamo molto affascinante il modo in cui un evento astrofisico non percettibile a occhio nudo possa far parte della nostra routine da sempre.
In conclusione vorremmo ringraziare non solo coloro che ci hanno rese consapevoli di questo particolare fenomeno, Mauro Fiorini e Adamantia Paizis, i tutor che ci hanno seguito durante il nostro percorso di PCTO presso l’INAF-IASF di Milano, ma anche il personale dell’Istituto che ci ha dedicato tempo prezioso per conoscere meglio il mondo della ricerca. Infine ringraziamo il Gruppo INDACO (INAF per la Divulgazione di ASTRI e CTA Observatory) per aver co-finanziato il nostro PCTO.
Per completezza, segnaliamo gli articoli di chi ci ha preceduto in questo progetto: Raggi fantastici e come trovarli e Toccare il cielo con due tubi.
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