Raggi cosmici e matriuske Dal modello atomico alle particelle subatomiche 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Collocazione curriculare Classe quinta liceo scientifico Prerequisiti: - Atomi e struttura atomica - Struttura del nucleo - Radioattività - Stabilità ed energie di legame - Reazioni nucleari artificiali 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Finalità Obiettivi disciplinari: - Fornire motivazione - Conoscenza dei raggi cosmici - Cenni sulla sperimentazione in atto - Elementi di radioprotezione - Introduzione alle particelle elementari - La materia secondo il modello standard - Discussione sul futuro della ricerca - Raccordo con l’astrofisica 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Motivazione della scelta Messaggeri dell’universo (studio delle proprietà) Energie incomparabili con quelle prodotte dagli acceleratori La loro scoperta ha dato impulso alla fisica delle particelle: antimateria e decadimento pione Verifica del Modello Standard E una fonte di radiazione disponibile per esperimenti 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Cenni storici 1912 Franz Hess  ascensione in mongolfiera (Raggi g) 1925 Millikan  Cosmic ray 1928 Bathe-Kolhorster  natura corpuscolare 1932 Anderson  tracce particelle positive in camera a nebbia 1933 Blackett e Occhialini  antielettrone (Dirac 1928) 1943-47 Conversi-Pancini-Piccioni Scoperta muone 1947 Powel-Occhialini-Lattes  Scoperta pioni (Yukawa 1934) 1949 Fermi  Ipotesi di origine galattica e non solare 1951 Nuove particelle lambda0 e K0 1956 Cicconi  Ipotesi origine extragalattica 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

I raggi cosmici …. 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Classificazione in base all’origine Primari  protoni (85%), atomi di elio (12%) ma anche: neutrini, ioni di elementi presenti nel sistema solare(idrogeno, deuterio) ed eccessi di litio, berillio, boro (interazione protoni con materia interstellare), raggi , elettroni (2%), ed antimateria (1/10 millesimo di antiprotoni e 1/10 positroni) Secondari  Sciami dovuti interazione dei raggi cosmici con atmosfera terrestre che giungono sulla superficie terrestre(pioggia cosmica ~ 4000 particelle/min) 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Sciami generati dai raggi cosmici Formazione della radiazione cosmica secondaria. La particella primaria (generalmente un protone) urta con un nucleo d'ossigeno o di azoto dell'alta atmosfera. Da questa collisione vengono generati neutroni, protoni, p0, p+, p-, antinuetroni, antiprotoni, kaoni e iperoni. I p0 decadono elettromagneticamente in due  e questi ultimi possono materializzarsi in coppie e+ e-. I p carichi possono interagire con altri nuclei presenti nell'atmosfera o decadere in leptoni m e neutrini n. Gli elettroni irradiano energia sotto forma di raggi  (radiazione di frenamento). Le linee tratteggiate indicano che altre reazioni possono avvenire. 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Range di energie Primari  da 109 eV a 1018 eV Secondari  In base alle curve di assorbimento ● componente morbida (30%), ossia e±, fotoni, ed in minima parte protoni e kaoni ● componente dura (70%)ossia muoni ed in minima parte di neutrini Il flusso di particelle che compongono la radiazione è a livello del mare 100 particelle/(m2  s  sterad), Energia media ~GeV 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Il pione ed il muone Reazione dovuta all’interazione secondaria +  + +  -  - + Decadimento muone (instabile) +  e+ + + e -  e- +  + e (ZO11) - +p  n +  (Z>11) Legenda: e+ = positrone e- = elettrone  = antineutrino muonico  = neutrino muonico e = neutrino elettronico e = antineutrino elettronico p = protone n = neutrone 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Il pione 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

L’antielettrone La prima immagine di un positrone ottenuta da Anderson: una particella leggera attraversa lo spessore di piombo centrale della camera provenendo dal basso, come si vede dall'aumento del raggio di curvatura nella parte superiore; in base alla curvatura nel campo magnetico si deduce che ha carica positiva unitaria e l'analisi della ionizzazione prodotta nella camera permette di attribuirle una massa uguale a quella dell'elettrone 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Un po’ di ordine 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Rilievo raggi cosmici Fuori dall’atmosfera (Satelliti, shuttle) Alfa Magnetic spectrometer 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Rilievo raggi cosmici Array a cielo aperto (Gran Sasso, CASA, Auger..) 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Rilievo neutrino Sotterranei (Gran Sasso, Cern etc) 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Come proseguire Effettuare esperimento di conteggio Esposizione personale di volo Ricerca internet esperimenti ed apparati sperimentali Discussione sulle attuali evoluzioni della ricerca attraverso articoli 29/11/2018 Gilardini Gianfranco

Esperimento Misurare la radiazione di fondo con un contatore Geiger-Muller registrando i conteggi per ogni 10 s 15 minuti Calcolare il numero medio di conteggi attesi in 10 s Calcolare per differenza i conteggi in ciascun intervallo e riportatelo in un grafico Confrontare i dati con la distribuzione attesa in base alla statistica di Poisson a partire dal valore medio calcolato precedentemente 29/11/2018 Gilardini Gianfranco