I raggi cosmici:

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I raggi cosmici una storia affascinante. Prof.
Pietro Dalpiaz Università di Ferrara e INFN
Vedi Alla ricerca delluno. Robert P. Crease e
Charles C. Mann, Ed. Arnoldo Mondadori 1986,
pg.191 -The Particle Explosion. F.Close, M.Marten
and C.Sutton. Oxford University Press (New
York)1987
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Immediatamente molti scienziati si dedicarono a
studiare la radioat- tività Marie Sklodowska
Curie separò chimicamente gli elementi delluranil
e ed ha scoperto che luranio metallico era 5
volte meno attivo del uranile. Quindi cercò
qualche altra sostanza che giustificas- se il
fatto, così scopri un altra sostanza attiva con
proprietà simili al Bismuto che chiamò Polonio,
ed unaltra simile al Bario 2.000.000 di volte
più attiva dellUranio, il Radio. Molte altre
sostanze radioat- tive sono state scoperte in
seguito. Questi fatti suscitarono un
grande entusiasmo per le ricerche sulla
Radioattività che rapidamente provocarono grandi
scoperte.
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La radioattività veniva rivelata con lastre
fotografiche. In seguito si scopri che rendeva
leggermente conduttiva laria e ciò provocava la
scarica degli elettro- scopi e questo divenne un
nuovo metodo di rivelazione della radioattività.
Nel 1909 il gesuita Theodor Wulf insegnante di
fisica nel Liceo dei Gesuiti di Valkenburg
(Olanda) inventa un nuovo tipo di elettroscopio,
così sensibile, da essere adottato dagli
scienziati di tutto il mondo i quali si resero
conto che ovunque fosse posto perdeva la carica
anche senza sorgenti
radioattive evidenti.
Fu una ricerca affannosa nei luoghi più
disparati. Lo stesso Wulf lo portò con se in un
viaggio in Germania e sulle Alpi Svizzere. La
sfortunata spedizione del Capitano Scott in
Antartide del 1911 comprendeva un meteorologo che
effettuò misure con elettroscopio di Wulf in
Oceano ed in Antartide. La scarica residua si
manifestò dappertut- to, in misura diversa, e gli
scienziati conclusero che dove- va essere causata
dal debole fondo di radioattività presente nella
crosta terrestre.
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-1910 il 30 marzo, in una fredda giornata
parigina, padre Wulf aprì la porta
dellascensore sulla cima della Torre Eiffell e
trascinò le apparecchiature sulla piattaforma e a
300m di altezza sopra la piazza di Champ de Mars
trascorse lintera giornata a misurare
la conducibilità dellaria. I risultati ottenuti
lo lasciarono stupefatto. Wulf sapeva che le
centinaia di metri di aria che lo separavano dal
suolo avrebbero assorbito quasi per intero le
emissioni radioattive della Terra e che la torre
era quasi esente da radioattività. Ma per
lintero periodo di quattro giorni da lui
trascorsi lassù, lelettroscopio continuava a
scaricarsi, quasi come a terra, solo un poco
meno. Qualcosa stava causando quella perdita ma
quel qualcosa non era nella torre, ne nel suolo
ne nellelettroscopio stesso. In agosto Wulf
giunse alla conclusione che o doveva esserci
unaltra sorgente di emissioni radioattive nelle
parti superiori dellatmosfera oppure che
lassorbimento della radioattività da parte
dellaria è sostanzialmente più debole di quanto
supposto fino ad allora.
Le osservazioni del gesuita suscitarono un grande
interesse in Victor Hess, che da poco era entrato
a far parte dellistituto per la ricerca sul
Radio fondato poco tempo prima a Vienna. Come
molti altri fra i primi studiosi della
radioattività, Hess non prese molte precauzioni
nel manipolare il radio, perdendo infine il
pollice in conseguenza delle ustioni da
radiazione. Dopo avere effettuato dei i controlli
per accertare se laria non potesse avere
assorbito la radiazione proveniente dal suolo
prima che raggingesse la cima della torre Eiffel,
Hess cominciò a credere che negli esperimenti di
Wulf ci fosse la presenza di una sorgente di
ionizzazione non nota. Uomo tenace e ostinato,
Hess decise che lunico modo buono per verificare
i risultati di Wulf fosse quello di fare misure
ancora più lontane dal suolo. In quelli anni
significava luso di palloni aerostatici, un
procedimento assai pericoloso.
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1911-1913 Hess in quelli anni compie 10
ascensioni. Nei primi 8 voli trova che laria è
sempre ionizzata anche se un poco meno che a
terra, ma mol- to di più di ciò che
corrisponderebbe se fosse dovuta alla
radioattività del- la crosta terrestre attenuata
dallo strato di aria. Allalba del 7 agosto 1912
inizia il IX volo staccandosi dal suolo a Praga,
con il suo pallone rosso e arancione atterrando 6
ore dopo vicino a Berlino, a 29 anni Hess
aveva scoperto qualcosa di importante.
Victor Hess
A 4500m di altitudine lelettroscopio si
scaricava a velocità doppia che a livello del
suolo. Hess giunse alla sconvolgente conclusione
che raggi con alto potere di penetrazione,
entrano nella nostra atmosfera dallalto. Dapprim
a suppose che raggi pro- venissero dal Sole,
ma nei voli notturni si osserva lo stesso
feno- meno, per cui gli fu chiaro che
provenivano dallo spazio esterno.
Le idee di Hess furono accolte con derisione.
Lidea che raggi interstellari capaci di
attraversare centimetri di materiale
bombardassero di continuo la Terra, sembravano
inconcepibili.l
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Qualcuno suggerì che la bassa pressione
atmosferica delle grandi altitudini avesse
confuso gli stru- menti di Hess che effetti
elettrici propri delle alte quote (ovviamente
sconosciuti) avessero messo fuori uso
lelettroscopio che cioè Hess fosse un
incompetente.
Mentre Wulf lavorava a migliorare i suoi
elettroscopi, il tedesco Werner Kolhörster fece
cinque voli, in pallone, culminati con una ascesa
interminabile oltre i 9000m, leggermente più in
alto della vetta dellEverest, il 28 Giugno del
1914. Egli trovò che a quella quota il livello di
ionizzazione era dodici volte maggiore che
a livello del mare. Hess aveva ragione!!!
Purtroppo lo stesso giorno in cui Kolhörster
portò I suoi elettroscopi ad altezze record, a
Serajevo fu assassinato lerede al trono
dAustria e Ungheria, e questo delitto mise
in moto una catena di eventi che portò alla
guerra con vertiginosa velocità, in tutta
Europa. Le ascensioni in pallone cessarono i
laboratori in montagna furono abbandonati e
tutte le ricerche sulla strana radiazione
proveniente dallalto cessarono, mentre la
civiltà occi- dentale rivolse la sua attenzione
allautodistruzione. Ebbe inizio così la storia
di quelli che in seguito sarebbero stati chiamati
raggi cosmici, una potente radiazione che investe
il nostro pianeta dallo spazio e che gli
scienziati stanno cominciando a capire solo oggi.
La storia dei raggi cosmici è una storia a
se iniziata in modo quasi casuale, e persino
banale, per cercare di capire la ragione
della scarica in laboratorio degli elettroscopi.
La fisica dei raggi cosmici crebbe fino a
diventa- re una disciplina a se e trasversale a
molti interessi di fisica, popolata di personaggi
av- venturosi che non avevano la voglia di
chiudersi in laboratorio. I raggi cosmici
fornirono materiale per la verifica della teoria
della relatività ristretta, per la scoperta
dellantimate- ria, delle importanti particelle
contenenti quark strani, per le oscillazioni dei
neutrini e stimolarono la creazione di tecnologie
quali il circuito AND e lelettronica digitale
sulla quale si basano i moderni calcolatori.
Qualcuno scrisse Questargomento è unico nella
fisica moderna per la piccola scala dei fenomeni,
la delicatezza delle osservazioni, le
avventurose escursioni degli osservatori, la
sottigliezza dellanalisi e la grande portata
delle inferenze.
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E si potrebbe anche aggiungere per la profondità
della confusione che qualche volta si è creata.
Spesso si ebbero idee giuste per ragioni
sbagliate, idee sbagliate per ragioni giuste le
conclusioni scientifiche furono spesso plasmate
da casi fortuiti, ostilità preconcette e
ideologiche più che dalla dedizione logica. Dopo
la guerra, fatta per mettere fine a tutte le
guerre, quando riprese lo studio dei raggi
cosmici la maggior parte delle sfortune si
accanirono su un nuovo venuto in questo campo,
Robert A. Millikan il più famoso scienziato
americano del tempo che aveva dimostrato la
quantizzazione della carica elettrica, risultato
per il quale vinse il premio Nobel per la fisica
(nel 1923). Secondo americano a vincere il
premio. Millikan figlio di un pastore
congregazionalista, deriva gran parte della sua
celebrità dallimpegno con cui tentò di
esercitare una mediazione tra la religione e i
risultati ottenuti dalla scienza, in un periodo
in cui il conflitto tra religione e scienza
sembrava insanabile. Millikan fu uno
scienziato profondamente cristiano nel periodo in
cui gli Stati Uniti furono travagliati dal
Proibizionismo, dal Ku Kluz Klan e da processo
Scopes (la proibizione i insegnare le teorie
evoluzionistiche in particolare le idee di
Darwin). Millikan credeva che la religione senza
scienza avesse prodotto dogmatismo, bigotteria e
persecuzione, ma sosteneva anche che la scienza
era meno importante di una fede nella realtà di
valori morali e spirituali. Queste affermazioni
erano graditissime alle colonne dellordine
sociale il New York Times, per esempio, affermò
che la posizione morale di Millikan era persino
più significativa della sua fisica. Uomo rigido,
alieno ad ogni compromesso, Millikan era privo
di una qualità indispen- sabile per uno
scienziato, quella del dubbio egli trattava le
idee come dogmi di una fede religiosa. Gli errori
causati dal suo dogmatismo furono ingranditi da
suo genio per la pubblicità, che lo faceva sempre
circondare da un nugolo di giornalisti.
Robert Millikan (lancia palloni)
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Nel 1914 Millikan aveva letto gli articoli di
Hess e Kolhöster e decise di dare un occhiata
alla radiazione penetrante. Ritenendo che i voli
con equipaggio umani non potessero raggiungere
altitudini sufficienti , cominciò a sviluppare
elettroscopi di Wulf estremamen-te leggeri, con
un apparecchiatura di registrazione automatica,
per palloni senza equipaggio. La ricerca fu
bloccata dallentrata in guerra degli USA alla
fine del conflitto, però, Millikan e un suo
allievo costruiscono un complesso di minuscoli
strumenti del peso di 200gr per la misura della
temperatura e della pressione, uno spettroscopio
di Wulf e una macchina fotografica per registrare
i dati. Nella primavera del 1922, Millikan fece
salire le sue apparecchiature dalla base
dellAviazione di Kelly a San Antonio nel Texas,
un pallone si alzò fino 15.000m. Millikan trovò
che il ritmo di scarica era molto più basso di
quello osservato dagli europei. Concluse che
aveva una prova certa che una radiazione cosmica
penetrante non esisteva. In un altro esperimento
in cima del Pikes Peak, nel gelo di 4300m, sul
livello del mare, produsse risultati simili
I dati di Millikan erano esatti, ma le sue
conclusioni furono sbagliate. Come si scoprì
in seguito i raggi cosmici non sono distribuiti
in modo uniforme sulla superficie terrestre. Per
puro caso, Millikan condusse i suoi esperimenti
in regioni degli Stati Uniti occidentali con
livelli di raggi cosmici anormalmente bassi, e ne
concluse scorrettamente che gli europei avessero
compiuto misurazioni erronee. Hess sostenne che i
dati Kolhöstner erano più degni di fede di quelli
Millikan, mentre Kolhöstner eseguì altri
esperimenti su ghiacciai alpini per confermare i
suoi risultati.
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Millikan, che non era tipo da tollerare nemmeno
il sospetto di un errore, compì una terza ricerca
nel 1925. I raggi cosmici se esistevano, dovevano
essere raggi gamma provenien- ti dalle stelle.
Millikan sapeva che un raggio gamma capace di
attraversare, per esempio, un metro dacqua prima
di essere assorbito, sarebbe stato capace di
attraversare 1116m di aria, poiché lacqua è
appunto 1116 volte più densa dellaria.
Nellagosto di quellanno egli portò le sue
apparecchiature in due laghi montani profondi
della catena del San Bernardino in California
il Muir a 3600m, sotto la vetta del monte Whitney
e il lago Arrowhaed 500km più sud ma a 1600m di
altitudine,e trovò come si aspettava di
trovare la stessa intensità di radiazione in riva
al lago Arrowhead che a 1.8m di profondità
del lago Muir. Millikan fece allora un
voltafaccia affermando di non essersi mai
pronunciato realmente contro lesistenza dei
raggi cosmici. Giudicando con il senno di
poi, egli era nel giusto per la ragione
sbagliata, poiché i raggi cosmici non sono raggi
gamma, non si comportano come questi e non
vengono assorbiti in mo- do uguale da masse di
aria e di acqua. Se le apparecchiature di
Millikan fossero state più sensibili, egli
avrebbe scoperto i diversi livelli di
assorbimento ma ancora una volta avrebbe tratto
la conclusione sbagliata.
Millikan ed il suo gruppo sul monte Whitney
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I risultati di Millikan suscitarono grande
eccitazione nel pubblico, convinsero la comunità
scientifica americana e piacquero ai colleghi
europei, almeno in un primo tempo, ma ben presto
ebbero motivo di irritarsi, quando gli americani
cominciarono a designare Millikan come scopritore
dei raggi cosmici Benché fosse stato lo stesso
Millikan a coniare lespressione raggi cosmici,
il New York Time propse di chiamarli raggi
Millikan in onore di un uomo dalla personalità
tanto lodevole e modesta talune riviste
americane parlarono de raggi M. Ne seguì una
comica polemica tra Millikan e gli studiosi
europei dei raggi cosmici, su chi avesse
prodotto le prime prove certe della loro
esistenza. Benché la maggior parte degli
scienziati americani si siamo infine resi conto
che Millikan era venuto dopo, una storia dei
raggi cosmici pubblicata negli USA nel 1936
descrisse Hess e soci come un gruppo di
scienziati animati di spirito nazionalistico ma
male indirizzati. Quellanno, quasi un quarto di
secolo dopo i suoi fondamentali voli in pallone,
il Premio Nobel per la fisica fu assegnato
a Victor Hess, per la scoperta della radiazione
cosmica
Fino al 1929 si suppose che i raggi cosmici
fossero una forma più potente dei raggi gamma
Millikan, in particolare, fu tra i fautori di
questa concezione. Il primo esperimento che
contestò questo assunto fu compiuto da Kolhörster
e da un altro fisico tedesco, Walter Bothe, che è
stato iniziato alla fisica da Hans Geiger, che
gli aveva fatto conoscere il nuovo strumento da
lui inventato per lo studio delle radiazioni, il
famoso contatore Geiger, che rappresentava un
grande progresso rispetto ai vecchi rivelatori di
radiazione (particelle) lelettroscopio di Wulf
e lo schermo a scintillazione di Rutherford.
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Nella primavera del 1929 Bothe e Kolhörster
usarono, per accer- tare la natura dei raggi
cosmici 2 contatori Geiger uno sopra lal- tro e
contarono il numero di volte in cui i contatori
registravano il segnale nello stesso istante
(coincidenze). Trovarono un buon numero di
coincidenze, che assicurava che i due Geiger
erano stati colpiti dallo stesso raggio un numero
di coincidenze tale da escludere che due raggi
colpissero nello stesso intervallo di tempo i
due contatori. Pensarono che le coincidenze
fossero dovute ad elettroni colpiti da raggi
gamma (neutri) con energia sufficiente
da passare per entrambi i contatori.
Per confermare le ipotesi interposero tra i due
contatori ben 5 cm di Piombo, che avrebbero
dovuto assorbire tutti gli elettroni e quindi
eliminare le coincidenze. Contro ogni previsione
ciò non avvenne a parte pochi casi dovuti a
coincidenze casuali.
Per Bothe e Kolhörster (BK), questo fatto
suggeriva che i contatori non stesero
raccogliendo elettroni rimbalzati, bensì gli
stessi raggi cosmici elettricamente carichi ad
alta energia, cioè capaci di attraversare
indenni 5cm di piombo.
Anche in Italia sono stati fatti esperimenti
simili, e furono installati laboratori in alta
montagna sul Monte Rosa e sulla Marmolada.
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Per stringere i tempi delle coincidenze Bruno
Rossi professore allUniversità di Padova, ha
inventato un congegno elettronico fatto di
triodi in conduzione. Le griglie erano connesse
attraverso un condensatore al filo positivo dei
Geiger. Quando i Geiger con- ducono mandano un
segnale negativo che blocca il triodo
corris- pondente. Quando tutti i triodi sono
bloccati cè un chiaro impulso che è il segnale
di coincidenza di tutti i Geiger, meglio diun
mille- simo di secondo, è il circuito di AND. Con
questo circuito ha avu- to inizio lelettronica
digitale che non solo ha dato un grande
con- tributo alla ricerca di fisica, ma è alla
base della tecnologia dei computers ed ovviamente
alla base dellautomazione e della robotica.
Attualmente si costruiscono circuiti di AND
con risoluzioni temporali di ben un centesimo di
miliardesimo di secondo (10psec10-11sec).
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Molti specialisti dei raggi cosmici pensarono
che lesperimento B K doveva essere sbagliato
special- mente Millikan (M), il quale insisteva
nellidentificare i raggi cosmici con i fotoni
(gamma). Quando il codazzo dei giornalisti che
lo seguiva passo a passo chiese a M se dopo
tutto, i raggi cosmici non potessero essere
particelle cariche, egli scattò Potreste
paragonare altrettanto ragionevolmente
un elefante a un ravanello. Ciò che avevano
osservato BK, sostenne M, non erano particelle
primarie dei raggi raggi cosmici, bensì
particelle secondarie, particelle che erano state
colpite dai raggi cos- mici. BK non riuscirono a
confutare questa affermazione. Essi sapevano però
che se i raggi cosmici fossero stati formati da
particelle cariche, la loro traiettoria sarebbe
stata modificata da un campo magnetico. Il
problema era quello di trovare un magnete in
grado di protendersi nello spazio in misura
sufficiente a permettere ai fisici di studiare
leffetto sui raggi cosmici in arrivo. Sulla
Terra non cè ovviamente nulla di simile tranne
la stessa Terra con il suo campo magnetico.
Negli anni venti il norvegese Frederik St?rmer si
era accorto che le particelle cariche emesse
nei brillamenti solari sono deviate dal campo
magnetico terrestre verso i poli, dove la loro
tremante danza aerea crea le aurore boreali. Se i
raggi cosmici erano effettivamente particelle
cariche, dove- vano anche essi incanalarsi lungo
le linee magnetiche e scendere in numero massimo
ai poli. Nel 1927 un fisico olandese, Jacob Clay,
portò con se degli elettroscopi nei suoi viaggi
per mare fra lOlanda e Giava, trovò che
nellEuropa settentrionale cera il 50 di
radiazione in più che allequato- re. M non aveva
trovato alcun effetto della latitudine nel suo
viaggio per mare tra gli USA e il Cile era
questa una delle ragioni per cui era convinto che
i raggi cosmici fossero fotoni. Bothe tentò di
ri- solvere personalmente questo disaccordo con
un soggiorno nellisola norvegese di Spitzbergen
a poche centinaia di km dal Polo Nord. Egli non
trovò alcun effetto. La controversia spinse
alcuni scienziati europei a misurare le intensità
dei raggi cosmici nelle più svariate località e
alle massime altitudini. Hess e alcuni colleghi
installarono elettroscopi in osserva- tori di
montagna nelle Alpi. Kolhöster portò le sue
apparecchiature nelle miniere di salgemma
di Stassfurt. Lo sviluppo di cabine pressurizzate
per palloni aerostatici consentì di salire a
quote senza precedenti. Nel 1931 Auguste Piccard
salì nella stratosfera portando un elettroscopio.
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Quando il sole caldissimo delle alte quote
surriscaldò la cabina, lequipaggio sopravisse
leccando gocce dacqua dalle pareti. Il poeta
Gabriele dAnnunzio, esaltato dal pensiero di
sfidare la morte nel nome della conoscenza, pregò
Piccard di portarlo con se in volo. DAnnunzio,
che non perdeva occa- sione per gesti
stravaganti, dichiarò che era pronto, se
necessario, a farsi gettare fuori bordo
come zavorra. Era molto meglio patire la nobile
morte di essere gettato da un pallone, disse il
Poeta, piut- tosto che morire ignominiosamente
fra due lenzuola. Questi voli contribuirono ben
poco tranne che al romanzo della storia. La
pratica della misura casuale dellintensità dei
raggi cosmici in ambienti pittoreschi era un modo
estremamente inefficiente di risol- vere la
confusione sulleffetto della latitudine. Infine
questi studi nellatmosfera superiore
divennero lassurdo pretesto per una prima
versione della sfida spaziale, nella quale
aeronauti americani, euro- pei e sovietici si
batterono con grande ardore per salire in pallone
sempre più in alto nella stratosfera. Era
inevitabile che si verificassero delle tragedie.
Tre russi salirono allaltezza record di 21km
prima che il loro pallone esplodesse ed essi
precipitarono al suolo. Secondo alcune relazioni,
le loro ultime parole furonoAbbiamo studiato i
raggi cosmici. Chissà? Essi furono sepolti nelle
mura del Cremlino.
Nel frattempo le ricerche sui raggi cosmici si
erano spostate definitivamente dallEuropa agli
USA, dove M si impegnò in unaltra lotta
ampliamente pubblicizzata, questa volta contro un
ex allievo, Arthur Compton, che fu il III Nobel
americano per avere descritto ciò che accade
quando un fotone e un elettrone si urtano,
fenomeno noto attualmente come effetto Compton.
Lesperimento d BK aveva indotto Compton a
pensare che i raggi cosmici fossero particelle
cariche e come Bothe pensava che le misure
delleffetto connesso alla latitudine avrebbe
risolto il problema. Nel 1930 Compton chiese al
Carnegie Institute a Washington DC i fondi per
condurre uno studio dei raggi cosmici su scala
mondiale. Una volta ottenuto il finanziamento
suddivise il mondo in 9 regioni ed inviò in ogni
una di esse una diversa spedizione. A questa
ricerca presero parte in tutto più di 60 fisici.
Allen Carpè dellATT fu inviato in Alaska, dove
assieme a un compagno di spedizione, scalò
le pendici del monte McKinley, cadde in un
crepaccio sul ghiacciaio Muldrow e morì. Le
apparecchiatu- re e i dati furono recuperati e
usati nella pubblicazione. Lo stesso Compton
colmò tutti i vuoti imbarcandosi nel marzo 1932
in un viaggio intorno al mondo con la moglie e il
figlio adolescente.
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Verso la fine del 1931, anche M si rivolse al
Carnegie Inst. chidendo un finanziamento per
eseguire la propria serie di esperimenti.
Lavorando con un giovane postdoc del Caltech,
Henry V. Neher, che si imbarcò nel settembre del
1932 su una nave che partiva per il Perù. Nel 26
M, nel suo viaggio verso le Ande, si era lasciato
sfuggire leffetto della latitudine perché subito
a sud di Los Angeles cè una zona vasta nella
quale lintensità dei r.c. cala e si stabilizza
bruscamente e fu un caso che M mettesse in
funzione lelettroscopio subito dopo avere
superato la zona. Per mera sfortuna,
neppure Neher si rese conto della zona durante
il suo viaggio. Egli aveva con se due
elettroscopi di cui uno solo funzionava
allinizio ma anche questo cominciò a mal
funzionare 48 ore dopo la partenza e lo divenne
completamente poco dopo, e si rese conto che il
mare era troppo agitato per potere ripararli cosa
che avvenne nel porto di Mazatln, ma la zona
critica era superata. Arrivato a Panama,
Neher telegrafa che non cera nessun effetto
latitudine, notizia che M propalò su tutti i
giornali.
Il 14 settembre 1932 Compton annunciò che
lintensità dei raggi cosmici variava
considere- volmente dallequatore al Polo Nord.
Parlando davanti a un folla di giornalisti
Compton disse Ovviamente, se il polo nord
magnetico ha un effetto sui raggi, questi devono
avere una natura elettrica e non ondulatoria,
come sostiene il dottor Millikan, la differenza
rilevata dai miei esperimenti sarà un duro colpo
per il dottor Millikan
M si rifiutò di commentare la notizia, riservando
i suoi strali per il congresso annuale
dellAmerican Association for the Advancement of
Science. Tre giorni prima del suo intervento
ricevette un tele- gramma da Neher VARIAZIONE
SETTE PER CENTO VIAGGIO DI RITORNO STOP RIMASTA
OCCULTA PER SISTEMA GUASTO ET NAVI DIVERSE STOP
NEHER Nel viaggio di ritorno era passato per la
zona ma con gli elettroscopi funzionanti. Posto
di fronte allevidenze dei fatti, M con- tinuò a
criticare aspramente Compton nel suo discorso.
Poche ore dopo tornò alla ragione ed inviò un
violento telegramma di smentita al New York
Time (che aveva correttamente riferito che M
pro- pugnava la teoria dei fotoni) nel quale
sosteneva che era in perfetto accordo con
Compton. Il discor- so alla AAAS fu completamente
riscritto per la pubblicazione compromettendo
ancora di più la sua reputazione.
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1911- C.T.R.Wilson ha inventato un rivelatore di
radioattività chiamato camera a nebbia. Consiste
in una camera satura di vapor dacqua priva di
polvere, abbassando rapidamente la pressione si
forma una gocciolina di acqua su ogni ione
prodotto, anche da quelli originati da una
particella carica, che così lascia una traccia
fotografabile,
Misurando la densità di bollicine, che è
equivalente alla misura della ionizzazione
specifica rilasciata si riesce a misurare
approssimativamente la massa della particella che
è passata ed ha prodotto la ionizzazione
? elettroni
particelle alfa (4He) ?
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Carl D. Anderson (un altro allievo di Millikan)
a Caltech con la camera a neb- bia e
lelettromagnete.Un elettromagnete di quelle
dimensioni a quei tempi era un oggetto costoso
anche per grande consu- mo di corrente. Questa
era una altra buo- na ragione per la quale
questo di ricerche si svilupparono in paesi
industrializzati.
-1932 Carl D. Anderson, al Caltech con una
camera a nebbia in un campo magnetico,
studiando i raggi cosmici trova una traccia
uguale a quella lasciata dagli elettroni ma con
una curvatura opposta a quella che
corrisponderebbe agli elettroni negativi.
Aveva scoperto il primo esempio di antimateria
prevista da Paul A.Dirac nel 1927. Sono
stati chiamati positroni,
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La coppia Elettrone- Positrone. Ovviamente il
gamma che gli produce non si vede
Nel 1933 sono stati trovati da P.Joliot e
I.Curie, positroni nel decadimento di
nuclei radioattivi artificiali. Attualmente i
positroni sono utilizzati nella PET (Positron
Electron Tomography) una diagnostica medica, in
uso in alcuni ospedali,che è capace di mostrare
il funzionamento degli organi e non solo
lanatomia come le altre diagnostiche.
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Nella sezione sui raggi cosmici della Conferenza
Internazio- nale di Fisica del 1934 a Londra ci
furono due principali ar- gomenti di discussione,
entrambi con profonde implicazioni per il futuro
della fisica 1-Cinque anni prima una
collaborazione franco-sovietica aveva scoperto
con una camera nebbia che in un urto dei
raggi avvenivano esplosioni che producevano
sciami anche di 20 particelle. Questi eventi
poneva- no una inquietante domanda da
dove proveniva tutta quellenergia? La
domanda riguarda lorigine dei raggi cosmici.
La risposta è arrivata dopo 40 anni.
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2-Fu messo in evidenza che nei raggi cosmici
erano presenti due componenti -Una, chiamata
molle, che veniva assorbita da piccoli spessori,
facilmente identificabile con gli elettroni e
positroni prodotti da interazioni secondarie dei
raggi cosmici. -Laltra, chiamata dura, poteva
attraversare molti centimetri di piombo senza
alterarsi, era opinione generale che si
trattasse di elettroni ad alta energia che non
si comportavano come previsto.
21
Solo al di là del Pacifico, in Giappone
larticolo Anderson provocò un poco di
agitazione. Infatti al famoso istituto di chimica
e fisica Riken di Tokio lavorava un giovane
fisico teorico Hideki Yukawa che pochi anni prima
aveva proposto lesistenza di una particella di
massa intermedia di circa 300 masse
dellelettrone, che chiamo il quanto U che
doveva essere elettricamente carico, per
poter trasformare i protoni in neutroni e vice
versa. Tale particella sarebbe stata necessaria
per compren- dere la forza che opponendosi alla
repulsione dei protoni positivi teneva insieme i
nuclei atomici. A questa teoria non veniva dato
alcun credito perché secondo lopinione comune
non si risolveva un problema creandone un altro,
vale a dire una nuova fantomatica
particella. Yukawa viste le foto di Anderson
identificò le tracce con il quanto U e la
discussione allinterno del Riken convinse il
direttore del laboratorio Nishina a organizzare
un gruppo sperimentale che tra mille difficoltà
riuscì a ripetere lesperimento di Anderson e
nel 1937 avevano trovato una singola traccia per
la quale stimano la massa tra 180 e 360 masse
dellelettrone.
Qualche mese prima Anderson e Neddermeyer si
recarono allMTI, dove erano venuti a sapere
che due sperimentatori di Harvard, J.Street ed
E.C.Stevenson, avevano ripetuto il loro
esperimento e trovato lo stesso risultato si
apprestavano a pubblicare la scoperta della nuova
particella. Costretto a muoversi, Anderson inviò
prontamente un articolo al Physical Review,
sostenendo che esistono particelle di carica
unitaria ma con massa (che potrebbe avere un
valore unico) maggiore di quella dellelettrone e
molto minore di quella del protone. Larticolo
dei giapponesi fu ritardato dal Physical Review
e ciò permise a Street e Stevenson di precedere i
giapponesi sulla rivista.
Larticolo di Yukawa ebbe scarsa eco in occidente
ma dopo questi eventi Oppenheimer lo tirò
giù dallo scaffale dove due anni prima lo aveva
riposto, ed assieme a Serber, stilò una nota per
il Physical Review, che rovesciando la sua
posizione, sostenne anche se con qualche
esitazione, che la nuova particella non solo
esisteva ma era il quanto U di Yukawa che
trasmetteva la forza nuclea- re. Il numero
seguente della rivista conteneva un articolo di
Stukelberg il quale faceva la stessa identificazio
ne senza reticenze. Stukelberg aveva fatto anni
prima la stessa proposta di Yukawa, ma non la
pubblicò perché scoraggiato da W. Pauli.
22
Il nome di quanto U non attecchi mai e
cominciarono a circolare una serie nomi
penetrone, dinatrone, elettrone pesante,
partcella X, baritrone, particella di Yukawa e
persino yukone. Approfittando del loro ruolo di
scopritori Andersone e N. proposero mesotone ma
intervenne con il solito piglio Milikan, che era
stato il maestro di Anderson, lo convinse a
chiamarlo mesotrone perché era giusto chiamarlo
meso che in greco vuol dire medio ma doveva
ricordare non solo il neutrone ma anche il
protone. Il punto sulla teoria dei mesotroni fu
fatto da W.Heisenberg e da H.Euler nel 1938. Essi
as- serirono che i mesotroni vengono creati ad
alte quote fra la radiazione cosmica incidente,
ancora mis- teriosa, e le molecole
dellatmosfera. Una frazione dei mesotroni
raggiungono il livello del mare for- mando la
componente dura la quale interagisce con
latmosfera producendo gli elettroni della
compo- nente molle. Per alcuni anni tutti erano
convinti di avere compreso cosa erano i raggi
cosmici. Ma unaltra volta si sbagliava il
mesotrone non aveva nulla a che fare con le forze
nucleari. Anni dopo a commento di quel periodo
Oppenheimer disse che il padre eterno aveva
tirato un tiro mancino.
Il tiro mancino fu smascherate in circostanze
drammatiche. Nel luglio del 1938, in Italia il
governo di Mussolini emanò leggi razziali che
proibivano tra le altre cose agli ebrei di
detenere cariche pubbli- che come per esempio
posizioni universitarie. Privato del suo lavoro
di professore allUniversità di Padova, Bruno
Rossi, dopo non poche difficoltà ricevette da
parte del suo amico Compton lofferta di un posto
allUniversità di Chicago. Bohr ruppe il
tradizionale segreto che circondava il
premio Nobel e comunicò a Fermi, la cui moglie
era ebrea, che sarebbe stato il prossimo
vincitore, per per- mettergli di lasciare
lItalia. Dopo avere ricevuto il premio a
Stoccolma, Fermi si reca direttamente a New York
alla Columbia University. La comunità di Fisica
Italiana subì un colpo molto duro in
conse- guenza della partenza di Fermi, di Rossi e
di molti altri. Allapprossimarsi della guerra E.
Amaldi uno dei pochi professori rimasto
allIstituto di Fisica Guglielmo Marconi
dellUniversità di Roma ha raccol- to intorno a
se i ricercatori restanti in un unico gruppo. Di
tale gruppo fecero parte Marcello Conversi e
Oreste Piccioni, due giovani che, con arroganza
propria della gioventù, si consideravano
parte integrante della nuova generazione di
fisici abili con i geiger, le valvole
elettronica e i trigger e consideravano poco, la
vecchia generazione che venerava la soffiatura
del vetro..
23
Essi conoscevano la teoria del mesotrone, e
sapevano che doveva essere verificata attraverso
preci- se misurazioni delle proprietà della nuova
particella. Ritenendo che i precedenti tentativi
di accertare la vita media del mesotrone fossero
deficitarie dalluso di apparecchiature
elettroniche insufficienti. Conversi e Piccioni
si dedicarono con zelo al compito di sviluppare
un circuito elettronico in grado di misurare
differenze di tempi dellordine di un
decimilionesimo di sec (10-7sec). Conversi evitò
larruo- lamento nellesercito grazie
allambliopia allocchio destro, Piccioni fu
arruolato ma riuscì a restare a Roma. Amaldi
teneva lezione alle sei e mezza del mattino così
che gli studenti sotto le armi potesse- ro
assistervi prima di cominciare il servizio.
Conversi e Piccioni comprarono le valvole
elettroniche al mercato nero, utilizzando
materiali di provenienza dubbia e lavoravano di
notte ai loro circuiti, costrui- vano i più i più
veloci circuiti elettronici esistenti al mondo.
Allinizio lavoravano allUniversità ma questa
era localizzata vicino ad una stazione merci, e
tutta la zona, dopo linvasione alleata
della Sicilia nel luglio del 1943, fu
pesantemente bombardata e dopo che decine di
bombe devastarono la sede universitaria, Conversi
e Piccioni traslocarono in una cantina di un
Liceo che trovandosi vicino alla Città del
Vaticano aveva minori probabilità di essere
bombardato. Lavorarono tra un allarme ae- reo e
laltro in una città affamata, condividendo i
locali con militanti della resistenza al fascismo
e alla successiva occupazione nazista di Roma, i
quali gli aiutarono a recuperare materiali per
gli esperi- menti. Allinizio di settembre quando
gli alleati erano arrivati in Calabria, dopo la
firma di resa inizia loccupazione nazista e
lincubo di essere catturati dai tedeschi
(Piccioni fu catturato una volta, ma fu
riscattato dal padre di un suo amico per una
certa quantità di calze di seta).
Conversi e Piccioni assemblarono contatori Geiger
e strati di metallo in una varietà di
dis- posizioni per determinare quanta materia
occorresse per arrestare un mesotrone.
Subito prima della liberazione di Roma da parte
degli alleati nel giugno del 1944, essi
riuscirono a dimostrare che i mesotroni avevano
una vita medi di circa 2.2 milionesimi di
secondo. Dopo la guerra vennero a sapere che
Bruno Rossi aveva fatto la stessa misura nel 1942.
Con quella vita media alla velocità della luce i
mesotroni possono percorrere solo 600m, essendo
formati decine di km in alto, vuol dire che la
deduzione della relatività ristretta della
contrazione delle distanze e la dilatazione dei
tempi era provata.
24
La vita media trovata era breve, ma almeno cento
volte più lunga, di quella prevista dalla
teo- ria di Yukawa per il mesotrone. Nella loro
cantina, in mezzo alla città sinistrata, Conversi
e Piccioni si resero conto che al quadro mancava
qualcosa. Alla fine delle ostilità, a Conversi
e Piccioni si unì un altro giovane, Ettore
Pacini, la cui incipiente carriera in fisica
era stata in- terrotta dalla necessità di uscire
dallesercito per unirsi ai gruppi partigiani del
nord, I tre pro- gettarono un nuovo esperimento
per studiare lenigmatico mesotrone
Se il mesotrone era veramente la particella delle
interazioni nucleari proposta da Yukawa, i
mesotroni positivi e negativi avrebbero dovuto
avere un compotamento diverso quando interagivano
con la materia. I mesotroni positivi avrebbero
dovuto essere respinti dai nu- clei positivi per
via delle forze elettromagnetiche ed attratti
dalle forze nucleari, poichè pe- rò
lelettromagnetismo ha un grande raggio di azione
avrebbe dovuto avere la prevalenza sulle forze
nucleari che hanno un raggio dazione molto
limitato, avrebbero dovuto essere respinti
lontano dai nuclei e decadere con la loro vita
media. Daltra parte i mesotroni ne- gativi
dovevano essere attratti dai nuclei positivi
interagire rapidamente e quindi non po- trebbero
decadere normalmente. Usando un complesso di
lenti magnetiche, i tre speri- mentatori,
deflessero le particelle dei raggi cosmici verso
un bastoncino di carbonio (car- bone) dove si
arrestavano. Nel carbonio i mesotroni positivi
decadevano con la solita rapi- dità come
previsto, cioè normalmente, ma nello stesso modo
si comportavano anche mol- ti di quelli negativi.
In altri termini, i mesotroni negativi non furono
assorbiti dai nuclei, ma catturati dagli atomi e
posti in orbita intorno ai nuclei finchè non
decadevano. I tre ricerca- tori ed anche gli
altri fisici su resero conto che il mesotrone non
era la particella di Yukawa. Oggi lo conosciamo
con il nome di muone, non ha nulla a che fare con
le forze nucleari è un parente pesante degli
elettroni e dei neutrini, con i quali ha in
comune il tipo di interazione cioè quella debole.
25
Sul carretto, trainato a mano da Oreste Piccioni
e scortato in bicicletta da Edoardo Amaldi che,
il 1 luglio del 1943, attraversa il centro di
Roma, diretto al liceo Virgilio in via Giulia,
c'è quasi tutto quel che resta di tangibile
della fisica italiana dopo tre anni di guerra. Si
tratta di un apparecchiatura elet- tronica, molto
sofisticata, messa a punto da Oreste Piccioni e
Marcello Conversi, capace di misurare tempi
dell'ordine del milionesimo di secondo, ed è
l'unica che permetta di determinare la vita
media dei mesotroni, particelle di natura ignota
provenienti dallo spazio cosmico che attraversano
per intero l'atmosfera terrestre e giungono fino
alle basse quote. Così, quando la cittadella
universitaria di Roma viene bombardata dagli
aerei alleati, Edoardo Amaldi, l'unico tra i
ragazzi di via Panisperna rimasto in Italia,
decide di spostare l'apparato di Piccioni e
Conversi dall'Istituto di Fisica nelle più
sicure grandi aule del piano terra del liceo
Virgilio. Decisione saggia, perché la scuola in
effetti si dimostrò"protetta" dai bombardamenti
data la sua vicinanza al Vaticano. Nei due anni
di permanenza al Virgilio quell'apparato
elettronico, consentirà un esperi- mento che
porterà alla scoperta del muone, e
all'inizio della fisica delle particelle o,
meglio, delle alte energie.
Lo strumento di Conversi, Piccioni e Pancini.
26
Leperimento dei tre italiani ha suscitato molte
discussioni e tentativi spiegazioni compresa
quella for- mulata da Robert Marshak un teorico
della Cornell University che supponeva che
esistessero due tipi di mesotroni con masse
diverse. Uno viene prodotto nellalta atmosfera
da collisioni nucleari dei raggi cosmici con i
nuclei, questa serebbe la particella di Yukawa
che decade rapidamente nel mesotrone più leggero
che si trova poi a livello del mare e che non ha
interazioni nucleari.
27
Occhialini portò alcune lastre al laboratorio
francese del Pic du Midì, ed i risultati non
tardarono. Si trovarono subito eventi di forti
interazioni nucleari
Il 24 maggio del 1947 sulla rivista Nature
compare un articolo firmato da due inglesi C.F.
Powell e H.Muirhead, un brasiliano di origine
italiana C.M.G.Lattes e dallitaliano Giuseppe
Occhialini, che lavoravano allUniversità di
Bristol. Larticolo riportava una fotografia
fatta con una lastra fotografica spessa esposta
per un certo tempo al Laboratorio del Pic du
Midì. Nella foto cera la traccia di una
particella di massa intermedia che si fermava e
che decadeva in unaltra di massa simile. Era la
dimostrazione che in altitudine si formavano le
particelle di Yukawa che, o interagivano con i
nuclei oppure, in particolare quelle positive,
decadevano molto rapidamente nei mesotroni che si
trovano al livello del mare.
28
Nel ottobre del 1948 con lo sviluppo di lastre
fotografiche sensibili alla bassa ionizzazione
degli elettroni si videro anche questi
29
Si poteva dire che il famoso tiro mancino
ipotizzato da Oppenheimer era stato finalmente
svelato. I raggi cosmici primari interagivano con
i nuclei degli atomi dellatmosfera,
producevano la particella responsabile delle
interazioni nucleari, proposta da Yukawa, pesante
273 masse elettroniche, che attualmente si chiama
pione (p) il quale decade in ventisei
miliardesimi di secondo, come previsto, nel
mesotrone scoperto da Anderson e Nieddermayer che
ha una massa di 205 masse elettroniche e non ha
interazioni nucleari, attualmente si chiama muone
(µ), decade in elettrone e neutrino in due
milionesimi di secondo. Questo muone è un grosso
elettrone instabile e non si comprende ancora
perchè la natura lo ha creato.
In tempi diversi, Wilson, Anderson, Blackett e
Powell furono insigniti con il premio Nobel,
premio che inspiegabilmente non fu mai assegnato
a Giuseppe Occhialini.
30
Powell e Occhialini nel 1948 pubblicano una foto
con il decadimento di un kaone in tre pioni.
31
Pietro Bassi che è stato professore a Padova e
Bologna mi ha raccontato che nei primi anni 50
facendo esperimenti con contatori Geiger nel
laboratorio della Marmolada, aveva osservato che
i muoni in movimento decadevano preferenzialmente
nella direzione del moto. Questo fenomeno violava
chiaramente la parità è perciò sembrava
inconcepibile. Infatti fu scoraggiato a
pubblicare dai fisici teorici di Padova. Nel 1956
Yang e Lee (fisici Cino-Americani allievi di
Fermi) formularono lipotesi della violazione
della parità nelle interazioni deboli e
lanomalia nel decadimento dei muoni rivista con
gli acceletatori ne fu una delle basi
sperimantali. La violazione della parità, premio
Nobel compreso, furono una questione solo
americana.
Nellatmosfera, nelle cascate di raggi cosmici,
si formano molti neutrini di tipo mu, dal
decadimento dei pioni in muoni. Questi neutrini
possono attraversare lintero pianeta ed
interagendo debolmente con i protoni formano
muoni che possono essere visti nei laboratori in
profondità sotto la roccia. Si può calcolare con
precisione quanti muoni ci si aspetta sia quelli
provenienti dallalto formati da neutrini che
percorrono decine di km mentre quelli provenienti
dal suolo percorro- no più di 12.000km. Nel 2000
il laboratorio di Kamiokande (Giappone) ha
annun- ciato un deficit di muoni provenienti dal
basso. Questo esperimento è stato consi- derato
la conferma delle oscillazioni fra le specie di
neutrini proposta 60 anni fa da Bruno Pontecorvo
e poi legata al grande deficit di neutrini di
tipo elettronico provenienti dal sole, visti
prima da Davis e confermati con grande evidenza
dal esperimento GALEX dei Laboratori del Gran
Sasso del INFN. Leffetto annun- ciato dai
giapponesi era stato visto con minore evidenza
dallesperimento MACRO sempre dei Laboratori del
Gran Sasso del INFN.
32
Dagli anni 60 sono stati introdotti molti tipi
divesi di rivelatori di radiazione molto più
sensibili, efficienti, e con risposte rapide. Fra
questi ci sono i contatori a scintillazione. Sono
costituiti materiali plastici organici fatti di
molecole con cicli benzenici. Queste molecole
eccitate dal- la radiazione carica emettono luce
ultra- violetta. Con laggiunta di particolari
sos- tanze, la luce viene spostata nel visibile e
rivelata da fotomoltiplicatori (fotocellu- le)
che nel tempo di un miliardesimo di secondo lo
trasformano in segnale elet- tronico da immettere
in circuiti elettronici digitali per elaborare le
informazioni.
In laboratorio riveleremo i raggi cosmici con
questo tipo rivelatori a scintillazione
33
I RAGGI COSMICI Dallo spazio arrivano
nuclei dallidrogeno fino al ferro anche
con energie enormi. Intera- giscono nucler- mente
con i nuclei di Azoto e Ossigeno e produ- cono
cascate di pioni, muoni, elettroni, gamma, neut
rini, ecc,..
34
Oltre a darci delle importanti informazioni di
Fisica i raggi cosmici possono darci dei messaggi
sulle loro origine cosmiche?
Non è così evidente perché essendo carichi sono
deviati dai campi magnetici galattici e quindi si
perde la loro direzione originale.
Sono in atto grandi esperimenti per rilevare
raggi cosmici di enorme energia che sono deviati
in modo trascurabile dai campi magnetici
galattici.
35
Si cercano raggi cosmici singoli con
ernergiedellor- dine di 1020eV (100 miliar- di
di masse del protone). Di tali raggi ce ne
dovreb- bero essere meno di 1/km2/secolo. Gli
esperi- menti coprono superfici enormi, anche di
3000km2 come AUGER in Argentina. I raggi
cosmici di così alta energia si rive- lano
integrando lenergia di tutto lo sciame. Cè
anche la proposta d esperimenti da satellite
(EUSO) per rile- vare la luce di
scintillazione degli atomi di Azoto
dellat- mosfera eccita dagli sciami.
La storia dei raggi cosmici non è certo finita!
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AGASA (Giappone)

• 100 km2 scintillatori
• rivelatori di muoni

37
Esperimento per la rivelazioni di sciami di
raggi cosmici ARGO dellINFN a Yangbjing in
Tibet a 4500m di altitudine.
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Laboratorio sotterraneo dellINFN sotto al Gran
Sasso
autostrada sotto al Gran
Sasso
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Pierre Auger Project
3000 km2 coperti
Malargue Mendoza Argentina
40
Pierre Auger Project
Pierre Auger Project
3000 km2 - 1600 water tank array