Messaggi dai raggi cosmici

di Sabrina Masiero

All’inizio del Novecento i fisici erano alle prese con un problema che risaliva al 1785, quando Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) osservò che gli elettroscopi, per quanto ben isolati, dopo un tempo più o meno lungo, si scaricano spontaneamente.

L’elettroscopio era stato ideato da Alessandro Volta nel 1780. È costituito da due lamelle metalliche che, caricate con elettricità dello stesso segno, divergono; a mano a mano che le lamelle si scaricano, tornano ad avvicinarsi. Si era capito che a scaricare gli elettroscopi erano atomi ionizzati dell’aria. Ma che cosa produceva la ionizzazione?

Strumenti elettrici voltiani sulla scrivania di Volta. Crediti: sito web alessandrovolta.it.

Nel 1896 Antoine Henri Becquerel (1852- 1908) aveva scoperto la radioattività naturale in modo del tutto accidentale, mentre studiava la fosforescenza dei sali di uranio. Dopo aver protetto una lastra fotografica con due fogli di carta nera, per evitare che questa venisse impressionata dai raggi solari, pose in una delle due coperture di carta una lastrina di solfato ed espose tutto alla luce del sole.

La lastra fotografica rimaneva impressionata, ma procedendo con gli esperimenti trovò che la lastra rimaneva impressionata indipendentemente dall’esposizione alla luce solare. Capì così che si trattava di una radiazione attiva che era in grado di penetrare anche attraverso sottili lamine d’alluminio, era emessa direttamente dai sali d’uranio e mostrava alcune proprietà comuni a quelle studiate da Wilhelm Conrad Röntgen (1845 –1923) sui raggi X.

L’emissione di radiazioni per lunghi periodi ed indipendentemente dallo stato fisico (in soluzione o in forma cristallina) dei sali d’uranio suggerì a Becquerel che questo effetto fosse dovuto alla presenza d’uranio nei sali. Sebbene la natura di questi raggi fosse ancora misteriosa, nel corso dei suoi esperimenti, trovò che essi erano formati da cariche di segno opposto ed a tali raggi si attribuirono i nomi già introdotti da Ernest Rutherford (1871 –1937) nel 1899 di raggi alfa e beta; dimostrò inoltre che i raggi beta erano i più penetranti e che la loro velocità dipendeva dalla natura della sostanza radioattiva che li emetteva.

A sue spese scoprì la pericolosità di questi raggi nel corso di esperimenti in collaborazione con i coniugi Marie e Pierre Curie.

Marie Curie nel suo laboratorio. Cediti: musee.curie.fr.

Per la sua tesi di dottorato in Fisica, Maria Salomea Skłodowska, più conosciuta come Marie Curie (1867 – 1934) si occupò dello studio sulle “nuove sostanze radioattive” utilizzando uno strumento messo a punto e perfezionato dal marito Pierre: l’elettrometro, capace di misurare le correnti elettriche deboli. La sua fu un’analisi sistematica dell’uranio in diversi composti e in diverse condizioni, che la portò a una prima, straordinaria conclusione: l’emettere radiazioni è una proprietà atomica dell’elemento uranio (che Marie chiamerà radioattività) che non può essere cioè modificata da alcuna procedura chimica. Ma se è l’atomo a emanare radiazione, allora non può essere indivisibile: secoli di convinzioni filosofiche si sgretolavano in quello che in molti definiranno uno dei contributi concettuali più importanti della storia della fisica.

Pochi anni dopo Marie e Pierre Curie isolarono gli elementi radioattivi, il polonio e il radio, che con i loro decadimenti causavano ionizzazione. Di qui l’idea che ci fossero nell’aria radiazioni all’origine della scarica degli elettroscopi. Restava da capire da dove venissero queste radiazioni.

Nel 1909, Theodor Wulf (1868 – 1946), un fisico e gesuita tedesco, progettò e costruì un elettrometro più sensibile e più trasportabile degli elettroscopi a foglia d’oro. Misurò la ionizzazione dell’aria in varie località in Germania, Olanda e Belgio, concludendo che i suoi risultati erano coerenti con l’ipotesi che la radiazione penetrante fosse causata da sostanze radioattive negli strati superiori della crosta terrestre. Wulf iniziò quindi a misurare i cambiamenti nella radioattività al variare dell’altezza per comprendere l’origine della radiazione. L’ipotesi era semplice: se la radioattività fosse di origine terrestre e quindi provenisse dalla Terra, tale radioattività dovrebbe diminuire con l’altezza. In quello stesso anno Wulf portò il suo elettroscopio in cima alla Tour Eiffel e scoprì che l’intensità della radiazione “a quasi 300 metri d’altitudine diminuisce nemmeno della metà del suo valore al suolo”. Questa era una diminuzione troppo piccola per confermare la sua ipotesi: con un dislivello di appena 300 metri aveva ottenuto risultati ambigui.

A sinistra, Theodor Wulf in una fotografia che risale intorno al 1910. A destra, l’elettroscopio di Wulf in un disegno dello stesso scienziato. Crediti: T Wulf 1909 Phys. Zeit. 1 152.

Tuttavia, sconosciuto a Wulf, i suoi risultati erano dovuti al metallo radioattivo della Tour Eiffel. La ricerca della fonte della misteriosa radiazione ionizzante sarebbe continuata.

L’idea prevalente era che arrivassero dal suolo e dai suoi elementi radioattivi, ma sembrava che ci fosse anche una componente proveniente dall’alto.

Per risolvere la questione tra il 1907 e il 1911 Domenico Pacini (1878 – 1934), giovane ricercatore all’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica di Roma, eseguì una serie di esperimenti. Gli ultimi due, compiuti nel giugno e nell’agosto 1911, furono originali e decisivi. Immerse un elettrometro a 3 metri di profondità nel mare davanti a Livorno e poi nel Lago di Bracciano e constatò che le radiazioni diminuivano. Per verificare una volta per tutte la causa della “radiazione penetrante” capace di far scaricare gli elettroscopi. Pacini, in particolare, verificò qual era la velocità con cui si scaricavano gli strumenti, verificando che sotto la superficie del mare gli elettroscopi si scaricavano, ma molto più lentamente. E più si scendeva in profondità, più la velocità di scarica diminuiva. Concluse dunque che una parte importante della radiazione penetrante non avesse origine dalle rocce terrestri, ma venisse dall’alto.

Domenico Pacini nel 1910 mentre fa le sue misurazioni. Crediti: famiglia Pacini.

Leggiamo direttamente dagli scritti di Pacini:

Le osservazioni eseguite sul mare nel 1910 mi conducevano a concludere che una parte non trascurabile della radiazione penetrante che si riscontra nell’aria, avesse origine indipendente dall’azione diretta delle sostanze attive contenute negli strati superiori della crosta terrestre. […] I risultati precedentemente ottenuti indicavano esistere, sulla superficie del mare, dove non è più sensibile l’azione del terreno, una causa ionizzante di tale intensità da non potersi spiegare esaurientemente considerando la nota distribuzione delle sostanze radioattive nell’acqua e nell’aria. […] La spiegazione che sembra doversi dare del fenomeno è che per il potere assorbente dell’acqua e per la quantità minima di sostanze radioattive contenute nel mare, realmente si verifichi, nell’ atto della immersione, un assorbimento delle radiazioni.

Dunque, dovevano venire dall’alto e l’acqua le assorbiva. Ne sospettò anche l’origine astronomica: nel 1910 aveva provato a misurare un eventuale aumento della ionizzazione dell’aria durante il passaggio della cometa di Halley. L’esito fu negativo, cosa che oggi non ci stupisce, ma l’ipotesi dell’origine cosmica delle radiazioni era ben fondata.
Nello stesso periodo, nel 1911, il fisico austriaco Victor Hess (1883 – 1964) utilizzò gli elettroscopi modificandoli in camere di ionizzazione per renderli più sensibili.

Osservò che dalla velocità con cui un elettroscopio perdeva la sua carica, si poteva valutare il livello di radiazione. Sfruttando questo principio e supportato dalla Accademia Reale delle Scienze di Vienna, fece una decina di voli a bordo di palloni ascensionali gonfiati ad idrogeno, inizialmente pensando che la radiazione provenisse dal Sole, ma i risultati rilevati in un volo durante un’eclisse totale, esclusero definitivamente tale possibilità.

Il 7 agosto 1912 Hess chiarì definitivamente che una parte importante della radiazione ionizzante arrivava dal cielo e lo fece, sempre, andandole incontro, cioé salendo con i suoi strumenti di misura a 5200 metri su un pallone aerostatico, la mongolfiera “Böhmen”, durante un viaggio di sei ore da Aussig, nella Boemia settentrionale, a Pieskow, un villaggio a una sessantina di chilometri a est di Berlino.

Victor Hess durante una missione del 1912. Fonte: astroparticelle.it.

Durante questa missione, su uno dei suoi tre strumenti, la ionizzazione al terreno era di circa 12 unità, ad un’altitudine di 1000 metri scese a 10, ma a 2000 metri si alzò ancora a 12. A 3500 metri il livello di ionizzazione si innalzò a 15 e più sorprendentemente, a 5000 metri raggiunse più di 27 unità, che era il doppio del valore a terra!

Nel suo rapporto pubblicato in quello stesso anno nella Physikalische Zeitschrift Hess affermò che “I risultati delle osservazioni indicano che raggi di grande forza di penetrazione, stanno entrando nella nostra atmosfera dall’alto

Victor Hess. Crediti: The scientific life of Victor Franz (Francis) Hess (June 24, 1883–December 17, 1964), Astroparticle Physics, Vol. 53, gennaio 2014, pagine 39-49.

Nel 1926 Robert A. Millikan (1868 –1953) e George Harvey Cameron ripresero le misure subacquee di Pacini a profondità crescenti e in alta quota. Furono loro a battezzare “raggi cosmici” la radiazione proveniente dallo spazio, convinti com’erano che si trattasse essenzialmente di raggi gamma di alta energia, il “vagito di nascita degli atomi” nella nostra Galassia, seconda la poetica espressione di Millikan. Il quale, tuttavia, nel suo lavoro si guardò bene dal citare Pacini ed Hess.

In seguito, fu dimostrato che queste radiazioni penetranti erano particelle materiali e non onde: protoni – nuclei di atomi di idrogeno – e nuclei di atomi pesanti almeno come l’uranio, spesso con una enorme energia e potenza di penetrazione, che bombardano la terra inesorabilmente.

Con gli anni ’30 dai raggi cosmici germogliarono straordinarie scoperte di fisica atomica. Nel 1932 Carl D. Anderson (1905 – 1991) scovò in essi la prima particella di antimateria: il positrone, cioè un elettrone con carica positiva, dimostrando che era giusta l’equazione di Dirac secondo la quale a ogni particella corrisponde una antiparticella. Quattro anni dopo gli fu assegnato il Premio Nobel per la Fisica insieme ad Hess. Nessuno si ricordò di Pacini, morto di polmonite due anni prima.

Bruno Benedetto Rossi (1905 –1993) intanto inventava un rivelatore a coincidenza e con esso scopriva che spesso i raggi cosmici arrivano a sciami estesi su un’ampia superficie, fatto confermato nel 1937 da Pierre Victor Auger (1899 –1993).

Fonte: Osservatorio Pierre Auger, Argentina.

In Inghilterra Patrick Blackett (1897 –1974) e Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini, detto Beppo Occhialini (1907 –1993) osservarono nei raggi cosmici la conversione dei fotoni in coppie di elettroni e positroni (1933), cioè la trasformazione di energia in materia. Nel 1938 dai raggi cosmici uscì una nuova particella con massa 200-240 volte quella dell’elettrone: era il muone, ma lì per lì si pensò di aver trovato una particella ipotizzata dal giapponese Hideki Yukawa (1907 –1981) come mediatrice dell’interazione forte che tiene insieme i nuclei atomici.

A chiarire la cosa furono Marcello Conversi (1917 –1988), Oreste Piccioni (1915 –2002) ed Ettore Pancini (1915 –1981) con esperimenti compiuti a Roma sotto i bombardamenti e poi in un sotterraneo del Vaticano, luogo risparmiato dalle bombe. Passò ancora qualche anno e nel 1947, esponendo lastre sensibili ai raggi cosmici a 5400 metri di quota sul monte Chacaltaya in Bolivia, Cecil Frank Powell (1903 –1969), Beppo Occhialini e Cesare Mansueto Giulio Lattes (1924 –2005) scoprirono la particella di Yukawa, che fu chiamata pione. Anche questa volta il Nobel sfiorò gli italiani senza toccarli e andò a Powell.

Giuseppe Occhialini (a destra) con i colleghi fisici e Premi Nobel Patrick Blackett (al centro) e Cecil Frank Powell (a sinistra).

Non era finita. I raggi cosmici fornirono ancora la scoperta dei mesoni K e quindi della famiglia delle particelle strane, nonché la scoperta della prima violazione della simmetria di parità, come se la natura fosse mancina, cioè avesse una preferenza tra la destra e la sinistra.  Dal 1948 Gilberto Bernardini con Ettore Pancini, Claudio Longo ed Edoardo Amaldi, aveva fatto nascere a 3505 metri il laboratorio della Testa grigia di Cervinia, mentre Enrico Fermi elaborava una spiegazione del meccanismo che accelera le particelle. Nel 2011 l’ha confermata l’osservazione dei raggi gamma nei resti di una supernova.

Più di 100 esperimenti sui raggi cosmici, alcuni molto fantasiosi, con rivelatori nel ghiaccio dell’Antartide, negli abissi marini o nelle profondità della Terra, sono in corso nel mondo. Il Sole, supernovae, pulsar, buchi neri e altri fenomeni violenti inviano messaggi tramite queste particelle. I raggi cosmici più penetranti hanno una energia 100 milioni di volte maggiore dei più potenti acceleratori di particelle di tipo LHC. Ogni secondo entra nell’atmosfera terrestre uno di questi proiettili che concentra in un punto l’energia di un sasso lanciato con una fionda. Per catturarli servono quindi rivelatori sparsi su grandi superfici. È quanto fa nella pampa argentina l’esperimento Auger: 1600 rivelatori sparsi su un’area il cui diametro è di 60 chilometri. Particelle così energetiche interagiscono con la radiazione cosmica di fondo a 2,7 Kelvin, perciò non possono venire da troppo lontano.

Dai primi risultati sembra che arrivino dai nuclei attivi di galassie a non più di qualche centinaio di milioni di anni luce da noi.

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Informazioni su Sabrina Masiero

Direttore Responsabile della Didattica e Divulgazione presso la Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche, Isnello, (Palermo) e associata INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo. Ho lavorato presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e la Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie nell'ambito dei pianeti extrasolari.

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