Approfondimenti di Fisica “Micro e macro cosmo” Liceo “Torricelli-Ballardini” Faenza Approfondimenti di Fisica “Micro e macro cosmo” 14 aprile 2015 (molte immagini sono state caricate da internet e in particolare dal sito di INFN e Cern )

Utilizzare app per raggi cosmici e VEDERE L’INVISIBILE LABORATORIO di CAMERE A NEBBIA OVVERO VEDERE L’INVISIBILE

Cos’è l’invisibile di cui parliamo??

Sciame di particelle secondarie = RC Primari e Secondari Sorgente Astrofisica (Resto di Supernova) Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) Atmosfera Terrestre Sciame di particelle secondarie = RC secondari

RC Primario I RC Primari (90% protoni, 9% nuclei ) in arrivo sulla sommità dell’atmosfera interagiscono producendo uno sciame di particelle. Tra queste, sopravvivono sino alla superficie della terra gli elettroni ed i muoni. RC secondari

I Raggi Cosmici sulla Terra… I RC bombardano continuamente la Terra: circa 100000 particelle (principalmente muoni) originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora. Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti. 6

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall'uomo, ma è un fenomeno naturale, presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.  Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica positiva,+) e da neutroni (carica nulla). L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti nel nucleo.

Radiazioni alfa, beta e gamma Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col nome generico di radiazioni.  alfa beta gamma 09/10/2017 prof.ssa Parolin Sara O.

Studiare i raggi cosmici con lo smartphone D.E.C.O. ( Distributed Electronic Cosmic-ray Observator) sviluppata dal prof. Justin Vandenbroucke dell'Università del Wisconsin come progetto didattico per i suoi studenti. Per il momento solo per Android http://astrogeo.oxfordjournals.org/content/55/6/6.4.5.extract Google group: https://groups.google.com/forum/#!forum/deco-users ma c’è anche

App D.E.C.O. Funzionamento Il principio di funzionamento di DECO è quello di utilizzare la fotocamera dello smartphone come rivelatore di raggi cosmici. Un sensore ccd o cmos è un buon rivelatore di particelle; i sensori al silicio sono largamente impiegati nei rivelatori di particelle per tracciare il percorso di particelle cariche negli esperimenti di collisione. Osservatorio a matrici: col gps del cellulare l'informazione della posizione verrebbe raccolta insieme ai dati del flusso dei raggi cosmici.

App D.E.C.O. versione beta Android Download the data logger app : http://www.globalsensorweb.org/ota/GSW-atalogger.apk Download the DECO app : http://www.globalsensorweb.org/ota/GSW-DECO.apk

App DECO: cosa funziona e cosa no Idea di grande interesse Valore didattico Si ha in tasca un potenziale rilevatore di raggi cosmici molto energetici ….Ma va ancora migliorata

App DECO: cosa funziona e cosa no Gli smartphone di fascia medio-alta hanno un sensore di 15-20 mm2 di superficie (fanno eccezione un paio di costosi Nokia che arrivano a 1cm2); dalla letteratura sui raggi cosmici sappiamo che statisticamente arriva in media un muone al secondo su 10 cm2 di superficie per steradiante (stima ottimistica: da esperimenti ADA una media di 4 particelle al minuto sempre sulla stessa unità di superficie ), va considerato anche che il livello di energia di ogni raggio cosmico (muone) è diverso e ogni strumento ha il suo range di energia Non è fatta per vedere le immagini dal cellulare Rumorosa,ingombrante Non è solo un rivelatore di raggi cosmici come afferma di essere. Come si distingue la particella radioattiva cosmica da quella terrestre? Da sempre (a terra) è utilizzato il sistema della coincidenza con minimo due sensori sovrapposti siano essi scintillatori o tubi Geiger-Muller. Le particelle dei raggi cosmici trasportano energie di migliaia di volte superiori .

PER LA VISUALIZZAZIONE DI PARTICELLE ALFA, BETA CAMERA A NEBBIA «HOME MADE» PER LA VISUALIZZAZIONE DI PARTICELLE ALFA, BETA E DI RAGGI COSMICI

Immaginiamo di osservare la scia di condensazione lasciata da un aereo che non riusciamo a scorgere in cielo. Dalla scia possiamo dedurre alcune informazioni (quanti motori, traiettoria,…)

? SCIE IN CAMERA A NEBBIA

Cos’è una camera a nebbia? Una camera a nebbia è un rivelatore di particelle. Le particelle elementari sono i costituenti ultimi della materia. Esse non sono proprio come dei mattoni cementati insieme, ma danno luogo a interazioni reciproche. Queste particelle sono dotate di energia e quantità di moto e perciò – sotto certe condizioni- molte di esse possono essere “viste” dai rivelatori. In realtà sappiamo che non si possono vedere direttamente, il loro passaggio attraverso il rivelatore è dedotto dagli effetti che esso causa come, ad esempio, la ionizzazione nel caso di particelle cariche.

Precedenti illustri

Una scoperta importante nel 1932 con la CAMERA A NEBBIA: il POSITRONE Carl David Anderson Nobel Prize in Physics 1936 "for his discovery of the positron”

Particelle scoperte nei RC Il positrone (1932) Carl Anderson osservò delle particelle cariche positivamente, che lasciavano nella camera a nebbia la stessa traccia degli elettroni. I suoi risultati furono convalidati nel 1933 da P. Blackett e G. Occhialini che riconobbero in esse l’antielettrone (o positrone) proposto teoricamente da Dirac. 21

Nettuno prima previsto e poi scoperto 1846 J.G. Galle

Plutone prima previsto da Percival Lowell e poi scoperto 1930 Clyde Tombaugh

4 luglio 2012 CERN: Scoperta del bosone di Higgs 2013: premio Nobel per la fisica a Peter Higgs e François Englert 1964: previsione dell’esistenza del bosone

Ma torniamo all’esperimento di Anderson

Una foto famosa: scoperta del POSITRONE nella camera a nebbia Il positrone colpendo la lastra di piombo perde velocità e diminuisce il suo raggio di curvatura cioè la curvatura aumenta Lastra di piombo Il campo magnetico è entrante una camera a nebbia inserita in un potente elettromagnete in grado di generare e mantenere un campo magnetico uniforme fino a 15000 Gauss Il positrone arriva dal basso con un certo raggio di curvatura e velocità

Stimiamo «p» dalla foto B=15 kG Δx=6 mm Pb Dove entra la particella? Carica: segno “+” (conosciamo B) E’ un protone?? Ri= 14 cm Rf= 6 cm

Non è l’unico premio Nobel preso grazie a una camera a nebbia 1927 Charles Thomson Rees Wilson : Invenzione della camera a nebbia Prize motivation: "for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour"

(detta anche a sensibilità continua) E NOI? Usiamo una camera a nebbia a diffusione (detta anche a sensibilità continua)

DI QUALI PARTICELLE POSSIAMO VISUALIZZARE LA SCIA? Qualunque particella carica sufficientemente energetica può lasciare una scia. Tuttavia con questa configurazione la cosa più probabile è che si tratti di muoni di raggi cosmici secondari. Sono anche possibili tracce lasciate da particelle dovute alla radioattività ambientale come ad esempio elettroni (raggi beta) e nuclei di elio (particelle alfa emesse da radon…) Materiali debolmente radioattivi

Camera a nebbia a DIFFUSIONE: cos’è? E’ una variante della camera a nebbia utilizzata da Wilson: si mantiene la saturazione del gas continuando, per esempio, a fornire vapore con un cuscinetto imbevuto di alcol nella parte superiore della camera (la zona più calda), dal quale evapora e si diffonde verso il basso. L’operazione diventa praticamente continua.

Questa camera a nebbia è fondamentalmente un contenitore a tenuta d’aria riempito con una mistura di aria e vapore d’alcol. Nel nostro caso: Da un cuscinetto posto all’interno della vaschetta in alto, l’alcol liquido evapora e si diffonde attraverso l’aria della camera. Raffreddando la base con ghiaccio secco (ghiaccio di anidride carbonica che è ad una temperatura costante di circa –79 °C mentre sublima) si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo la verticale. In questo modo si forma sul fondo una zona di vapore d’alcol sovrassatura. L’alcol è in forma di vapore, ma a una temperatura nella quale il vapore non può esistere: il sistema è instabile e ha una quantità di vapore d’alcol freddo in misura maggiore di quella che può mantenere. Una vaschetta per pesci rossi capovolta

Il processo di condensazione scatta al passaggio della particella carica, ad esempio una particella alfa, con energia sufficiente a ionizzare atomi (con urto anelastico) lungo il cammino: vengono strappati elettroni all’atomo creando ioni con carica positiva. L’elettrone viene catturato da un altro atomo. Questi ioni positivi e negativi sono i nuclei di condensazione attorno ai quali possono formarsi goccioline grandi di liquido che formano una scia. Le molecole di alcool sono elettricamente “allungate” con le cariche positive e negative agli estremi, in modo che possano facilmente aggregarsi attorno a particelle cariche.

Quando la particella alfa perde tutta la sua energia nelle collisioni con le “molecole d’aria”, si ferma e viene assorbita

Dalla densità di goccioline si può anche ricavare una stima dell’energia persa per ionizzazione per unità di percorso e questo aiuta ad identificare il tipo di particella che ha attraversato la camera a nebbia

Raggi cosmici in camera a nebbia posta a livello del mare, immersa in campo magnetico di 1000 Gauss. Da notare l’aumento di curvatura della particella

i nuclei di elio lasciano una traccia larga e diritta Radon-222 Torio gli elettroni una più sottile e con varie deflessioni CARBONIO 14 Se si applica un campo magnetico le particelle di carica opposta curvano in direzione opposta, in seguito alla forza di Lorentz, e questo permette di riconoscere la carica (nella foto campo di 1000 Gauss)

Una delle migliori cose che ci possono capitare è vedere una traccia che subito cambia direzione Poiché il momento lineare si conserva, quello che può essere accaduto è che un muone si sia convertito in un elettrone e due neutrini dentro la nostra camera. OPPURE…..

Una traccia che in un punto si biforca e che si potrebbe supporre essere la collisione di un muone o una particella alfa con un elettrone atomico che in questo modo viene estratto. Le due tracce a sinistra (dopo l’urto) sono quelle dell’elettrone e quella del muone uscente. Una traccia molto caotica e che cambia spesso direzione. Questo è uno “scattering multiplo”, come quando un raggio cosmico a bassa energia “rimbalza”da un atomo dell’aria all’altro o come un elettrone di radiottività beta ambientale

Un confronto con app DECO:

MATERIALI PER IL LABORATORIO CAMERA A NEBBIA lastra nera, opaca di alluminio anodizzato ghiaccio secco alcool torce elettriche cassetta a fondo basso di legno vaschetta per pesci con base 30 cm x 20 cm, e altezza 20 cm con striscia di feltro incollata all’interno, nel fondo

MONTAGGIO Cassetta Lastra di alluminio Camera a nebbia Ghiaccio secco Foglio di alluminio Cassetta Lastra di alluminio Camera a nebbia Ghiaccio secco Feltro

Cosa si può vedere Nebbia a Faenza Nebbia a Stoccolma

La temperatura del ghiaccio secco è: L’alcol è infiammabile ATTENZIONE La temperatura del ghiaccio secco è: -79°C L’alcol è infiammabile

Buona fortuna e buona caccia