Toccare il cielo con due tubi

Aggiornato il 12 Marzo 2024

Articolo di Filippo Donati (liceo scientifico delle scienze applicate “Don Carlo Gnocchi”), Maria Letizia Gianola (liceo scientifico “Orsoline San Carlo”) e Lorenzo Vanoli (liceo scientifico “La Traccia”), a conclusione del progetto PCTO “Rivelazione di Raggi Cosmici” presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Milano (INAF IASF Milano); secondo progetto della serie inaugurata quest’anno fra ricerca e comunicazione della scienza. Ringraziamo i ragazzi e le loro scuole di provenienza per questa avventura passata insieme.

Nell’immensità dello spazio ci sono fenomeni che sfidano la nostra comprensione e ci invitano ad avventurarci nell’Universo invisibile. Tra questi misteri, i Raggi Cosmici sono veri e propri navigatori spaziali che ci bombardano costantemente da ogni direzione e distanza. Ma come studiarli?
Prima di tutto ci presentiamo: siamo Filippo, Maria Letizia e Lorenzo, tre studenti del quarto anno di scuola secondaria di secondo grado che hanno partecipato al progetto PCTO Rivelazione di Raggi Cosmici presso l’INAF IASF di Milano. Il progetto è stato guidato da due tutor, Mauro Fiorini e Adamantia Paizis, i quali per due settimane (dal 5 al 16 giugno 2023) si sono dedicati a noi mostrandoci il loro mondo, dalla realizzazione di rivelatori per Raggi Cosmici alla comunicazione di un progetto scientifico.
Ma quindi, che cosa sono i Raggi Cosmici?
Sono particelle cariche – principalmente protoni ma anche nuclei di atomi più pesanti o elettroni – che sfrecciano nel Cosmo a velocità prossime a quella della luce. Possono avere diverse origini: dalla nostra Galassia (come vento solare o da esplosioni di supernovae), a fenomeni extra-galattici che coinvolgono l’accelerazione di queste particelle fino a energie dell’ordine di \(10^{21}\)eV (per intenderci, l’energia di una palla da tennis – battuta da un professionista – concentrata in una sola particella infinitesima). Quando raggiungono il nostro pianeta, i Raggi Cosmici interagiscono con le molecole dell’atmosfera producendo ulteriori particelle, chiamate Raggi Cosmici secondari, fra cui i cosiddetti muoni (parenti dei più noti elettroni e appartenenti alla famiglia dei leptoni) che possono raggiungere la superficie terrestre.
Il nostro obiettivo era rivelare i muoni con rivelatori autocostruiti durante il PCTO.
Per fare ciò, utilizzando i software gratuiti LTspice e KiCad, abbiamo simulato, realizzato, saldato e testato in laboratorio un circuito elettrico che registra quando un muone passa all’interno di un tubo Geiger-Müller, un sensore che rivela le particelle che lo attraversano.

L’immagine sopra mostra le nostre tre schede montate, in cui è possibile vedere due tubi Geiger-Müller per scheda: la coppia è necessaria per separare il passaggio dei muoni, che attivano i due tubi simultaneamente, dal rumore di fondo causato dalla radioattività ambientale che, meno energetica, riesce ad attivare un tubo solo.
Il circuito è formato da due parti: la prima (riquadro giallo) aumenta la tensione da 5 a 400 V, valore necessario affinché i tubi possano funzionare; la seconda (in bianco) elabora il segnale proveniente dai tubi Geiger-Müller per verificare che vi sia coincidenza tra i due impulsi, indicando il passaggio di un muone. In tal caso, il segnale viene inviato all’ultima parte del circuito che attiva un LED rosso (nel cerchio) e un segnale acustico per evidenziare il verificarsi dell’evento.
Una volta ultimate le tre schede, le abbiamo interfacciate a una scheda Arduino e, ciclandone la posizione, le abbiamo poste in condizioni ambientali diverse per studiare il passaggio di muoni in varie circostanze: in verticale (90°) al quarto piano dell’edificio, inclinato di 45° (sempre al quarto piano) e in verticale nel seminterrato (officina).

Il grafico (in due casi spostato di + e – 100 eventi, per una migliore visualizzazione) mostra l’andamento del numero di muoni registrati all’ora per ognuna delle tre schede. La traccia verde è tronca perché purtroppo abbiamo avuto un problema all’alimentazione della scheda (andava tutto troppo bene). Come si può vedere, l’andamento delle curve dipende dalle configurazioni: per esempio, si può notare una diminuzione di eventi quando le schede sono inclinate di 45°, una condizione sfavorevole visto che la direzione prevalente dei muoni che arrivano a terra è perpendicolare al suolo.
Quest’esperienza ci ha fatto scoprire che l’elettronica non è un campo a cui è impossibile avvicinarsi; anzi, in pochi giorni siamo riusciti a capire cosa stavamo facendo e far funzionare le nostre schede.
Inoltre durante il PCTO abbiamo esplorato vari ambiti della ricerca incontrando ricercatori dello IASF di Milano, fra astrofisica osservativa, laboratori, officine, simulazioni a supercomputer, software astronomico e gestione di progetti. Ringraziamo nello specifico: Andrea Giuliani, Silvia Crestan, Iacopo Bartalucci, Salvatore Incorvaia, Luca Schettini, Carmelita Carbone, Salvo Scuderi, Michela Uslenghi, Marco Fumana e Paolo Franzetti. Ringraziamo anche il gruppo INDACO (INAF per la Divulgazione di ASTRI e CTA Observatory) per aver finanziato il nostro PCTO.
Detto questo, cari amici lettori, vi invitiamo a farvi coinvolgere nel mondo della ricerca, così ricco e vasto, affinché possiate rimanere stupiti da ciò che è più grande (o infinitamente più piccolo) di noi; in poco tempo abbiamo visto che è possibile toccare il cielo con un dito, anzi con due tubi, e abbiamo conosciuto delle persone che, senza presunzione e con estrema umiltà, hanno l’obiettivo di scoprire i misteri dell’Universo.
Un lavoro che parte dalla meraviglia non può che essere meraviglioso.