Raggi fantastici e come trovarli

Articolo di Emanuele Cipolla (Liceo Scientifico Leonardo da Vinci di Milano); Gabriele Cellani (Liceo Scientifico Vittorio Veneto di Milano) e Mattia Landoni (Liceo Scientifico Vittorio Veneto di Milano), a conclusione del progetto di PCTO “Rivelazione di Raggi Cosmici” presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Milano (INAF IASF Milano); terzo progetto della serie inaugurata nel 2023 fra ricerca e comunicazione della scienza. Ringraziamo i ragazzi e le loro scuole di provenienza per questa avventura passata insieme.

Cosa hanno in comune un aereo di linea che precipita improvvisamente per duecento metri e le elezioni in Belgio? E i computer che modificano la loro memoria gettando nel caos programmatori in tutto il mondo? Tutti questi episodi, apparentemente sconnessi, sono in realtà opera di uno dei più sfuggevoli “agenti” giunti sulla Terra dallo spazio: i raggi cosmici.
Piacere, siamo Emanuele, Gabriele e Mattia, tre studenti di quarta liceo scientifico di Milano che hanno avuto l’occasione di partecipare a un progetto di PCTO presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Milano (INAF-IASF) dal 19 febbraio al 1 marzo 2024. Oggi vi apriremo le porte del laboratorio in cui abbiamo lavorato al fianco di esperti per realizzare un rivelatore di raggi cosmici.
Partiamo dicendo che, nonostante il nome, i raggi cosmici non sono raggi ma particelle, in maggioranza protoni che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. Quando entrano in collisione con l’atmosfera terrestre, a causa dell’urto con le molecole d’aria, danno origine a sciami di nuove particelle, i raggi cosmici secondari. Questi ultimi iniziano una catena di eventi che porta a particelle elementari (cioè non costituite da altre particelle) che comprendono, fra le tante, i muoni: proprio questi ultimi sono stati oggetto delle nostre osservazioni.
Per riuscire a rivelare il passaggio di questi raggi cosmici, usiamo dei particolari strumenti: i tubi Geiger-Müller che al passaggio di una particella emettono un segnale elettrico. Per ottimizzare la rivelazione dei muoni che sono di origine cosmica e quindi vengono dall’alto, rispetto alla rivelazione della radiazione di fondo naturale che proviene da tutte le direzioni, utilizzeremo due tubi in posizione verticale.

I tubi Geiger-Müller sono inseriti all’interno di un circuito elettrico che ne legge ed elabora i segnali. Una volta capito il loro funzionamento, grazie al programma gratuito LTspice, siamo passati a simulare alcuni circuiti elettrici per comprendere la formazione e il percorso del segnale al loro interno.

Abbiamo poi messo le mani in pasta utilizzando una breadboard, strumento che permette di costruire e testare circuiti elettrici senza saldature. Con la breadboard abbiamo creato un prototipo della parte logica del circuito che fa accendere il LED, in rosso in basso a destra ‘immagine, quando avviene un segnale di coincidenza fra i due tubi.
Dopo questo excursus pratico, abbiamo progettato la scheda vera e propria con un altro programma gratuito chiamato KiCad che permette di visualizzare schematicamente il circuito elettrico nella sua interezza e di disporre i diversi componenti, sbrogliando infine le piste in rame. Quest’ultimo passaggio consiste nel creare la rete di collegamenti che permetterà alla scheda di funzionare.

Terminata la progettazione, i relativi file sono inviati a una ditta che crea il circuito stampato vero e proprio. Siamo così entrati direttamente nella fase di saldatura delle varie componenti.

I nostri tre rivelatori hanno funzionato subito: abbiamo infatti osservato l’attesa diminuzione del numero di muoni dalla direzione verticale a quella orizzontale, come chi ci ha preceduto, ma questa è un’altra storia.
In chiusura infatti, ci preme tornare al quesito iniziale, spiegando come raggi cosmici ed elezioni politiche possano collegarsi. Analogamente a come ionizzano il gas presente nei tubi Geiger, i muoni possono interagire anche con i bit dei processori o memorie che regolano oramai buona parte della nostra vita: ne sa qualcosa Maria Vindevoghel che alle elezioni del 2003 in Belgio prese 4096 voti in più di quanto possibile a causa di un muone che colpì nel posto giusto il computer conta-voti; oppure i passeggeri dell’aereo che, per la stessa ragione, si gettò improvvisamente in una picchiata di 200 metri. Ma niente paura, ormai ci sono sistemi di ridondanza che minimizzano la probabilità di guasti contemporanei a più componenti dedicati alla stessa funzione.
Eccoci giunti alla conclusione di questo articolo. Nel nostro tempo all’INAF-IASF di Milano, abbiamo avuto uno scorcio dell’universo della ricerca in tutte le sue sfaccettature, dalla strumentazione all’analisi dati passando per l’astrofisica teorica, il software astronomico, la gestione dei progetti e la comunicazione della scienza. E per questo ringraziamo: Andrea Giuliani, Silvia Crestan, Salvo Incorvaia, Carmelita Carbone, Salvo Scuderi, Michela Uslenghi, Marco Fumana, Letizia Cassarà, Mariachiara Rossetti, oltre ai nostri tutor Mauro Fiorini e Adamantia Paizis. Ringraziamo anche il gruppo INDACO (INAF per la Divulgazione di ASTRI e CTA Observatory) per aver finanziato il nostro PCTO.