Vedere i raggi cosmici Progetto LAUREE SCIENTIFICHE ORIENTAMENTO E FORMAZIONE DEGLI INSEGNANTI FISICA Unità Operativa di Bologna Vedere i raggi cosmici Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. Patrizii Supervisori Laboratori: H. Menghetti, M.Selvi, M. Garbini, D.Di Ferdinando, S. Manzoor, V.Togo

La loro origine è sia galattica che extragalattica. I Raggi Cosmici I Raggi Cosmici sono particelle che bombardano costantemente la Terra da ogni direzione. Le energie di queste particelle ricoprono un vasto intervallo fino ad arrivare oltre 1020 eV. La loro origine è sia galattica che extragalattica.  Si pensa che i Raggi Cosmici nella nostra galassia siano accelerati in seguito alle esplosioni di Supernovae. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare ed è in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle che vediamo nei Raggi Cosmici. 

Ma come possiamo “vedere” queste particelle? I Raggi Cosmici I Raggi Cosmici sono principalmente protoni, ma includono anche molti altri nuclei, con una composizione fatta di oltre 400 isotopi (dai nuclei di Idrogeno a quelli di Uranio), componente primaria. Tali particelle arrivano sulla sommità dell’atmosfera e, interagendo con essa, generano sciami di particelle più leggere, quali elettroni, muoni, pioni e neutrini, componente secondaria. Per misurare la componente primaria occorre “andare in quota”. A livello del mare si rivela la componente secondaria dei Raggi Cosmici. Il flusso di particelle cariche che incide su una superficie orizzontale al livello del mare è di circa 200 particelle/(m2 s). Ma come possiamo “vedere” queste particelle?

Rivelazione di particelle particella Una particella elementare può essere vista perché attraversando la materia perde energia interagendo con gli atomi che costituiscono la materia stessa. L’energia persa nel materiale può provocare fenomeni diversi. I rivelatori di particelle sono realizzati in modo tale da sfruttare tali fenomeni. Scintillatore -> Telescopio di muoni Rivelatori Nucleari a tracce Un rivelatore di particelle al CERN

Un telescopio di muoni

Scintillatore Uno scintillatore è un materiale che emette luce quando è attraversato da una particella carica. 1. la particella carica cede energia agli elettroni delle molecole dello scintillatore 2. gli elettroni degli atomi di uno scintillatore sono “eccitati” (acquistano energia) dalla particella che lo attraversa 3. dopo pochissimo tempo (qualche nanosecondo), gli elettroni si “diseccitano” (perdono energia) emettendo luce (fotoni). 1 E2 E1 elettrone Particella carica 3 2 luce

Come misurare la luce di scintillazione? Per misurare la luce di scintillazione occorre trasformarla in “qualcosa di misurabile”, cioè in una corrente elettrica Il fotomoltiplicatore: dispositivo che trasforma un piccolo segnale di luce in una corrente elettrica.

Il Fotomoltiplicatore Un fotomoltiplicatore è costituito da una successione di elettrodi a cui è applicata una differenza di potenziale (dinodi). I fotoni della luce di scintillazione che arrivano sul fotomoltiplicatore colpiscono il “fotocatodo” e , per effetto fotoelettrico, si ha emissione di elettroni. La sequenza dei dinodi, posti a tensione diversa, moltiplica gli elettroni prodotti e li dirige verso l’uscita del fotomoltiplicatore (anodo). Dall’anodo possiamo prelevare e misurare una corrente elettrica!

Un telescopio di muoni: fisici per un giorno! In questo esperimento si osserverà come il passaggio di raggi cosmici possa essere “visto” dagli scintillatori Determinazione della tensione di lavoro del fotomoltiplicatore. Il passaggio delle particelle nello scintillatore produce una corrente elettrica (segnale) se al fotomoltiplicatore è applicata la “giusta” differenza di potenziale. Osservazione del segnale. Il segnale prodotto può essere visto su un oscilloscopio. Telescopio di raggi cosmici Oscilloscopio

Un telescopio di muoni: fisici per un giorno! Discriminazione della particella dal rumore. Per discriminare il passaggio di una particella “vera” dal rumore elettronico è necessaria la coincidenza di segnali da scintillatori o fotomoltiplicatori diversi. Occorre quindi “inviare” i segnali analogici in appositi moduli di elettronica che li trasformano in segnali digitali “standard” e che permettono di definire la coincidenza di segnali. Rivelatore Amplificatore Analizzatore Scintillatore Fototubo Discriminatore Segnale digitale Guida di luce Segnale analogico Scintillatore Fototubo Discriminatore coincidenza particella Coincidenza dei segnali in più scintillatori = passaggio di particelle!

Un telescopio di muoni: fisici per un giorno! Acquisizione dati. I segnali analogici relativi al passaggio di particelle possono essere inviati in appositi moduli di elettronica per estarne le informazioni di interesse fisico (ampiezza del segnale, tempo di arrivo ecc). Analisi dati. Tali informazioni possono essere infine registrate sul computer ed essere elaborate per poter fare misure di energia, di velocità, ecc. Moduli di elettronica

Rivelatori Nucleari a Tracce

Rivelatori nucleari a tracce Alcuni materiali (plastiche, vetri, minerali ecc.) hanno la proprietà di conservare traccia delle particelle cariche che li attraversano. Un materiale molto usato è un polimero, il CR39, utilizzato commercialmente per la produzione di occhiali da sole. Le particelle cariche che attraversano un pezzo di CR39 rompono le catene polimeriche in una regione cilindrica (Ø 100 Å) contenuta attorno alla traiettoria della particella. Questo danno può essere amplificato e reso visibile ad un microscopio ottico attraverso un processo di attacco chimico (“chemical etching”)

45 h, NaOH 6N,70o C Dalla geometria del cono si risale (previa opportuna calibrazione) alle caratteristiche della particella !

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno! Esposizione di un campione ad una sorgente di particelle alfa Preparazione della soluzione e attacco chimico del campione Visualizzazione al microscopio delle tracce delle particelle alfa Conteggio  attivita’ della sorgente

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno! Misura delle aree delle tracce con sistema automatico di un campione esposto a raggi cosmici su un pallone sulla sommità dell’atmosfera (componente primaria dei raggi cosmici) Distribuzione delle aree  distribuzione in carica

Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. Patrizii Vedere i raggi cosmici Telescopio di muoni Rivelatori Nucleari a tracce Analisi di tracce di Raggi Cosmici misurate da rivelatori trasportati ad alta quota Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. Patrizii Supervisori Laboratori: H. Menghetti, M.Selvi, M. Garbini, D.Di Ferdinando, S. Manzoor, V.Togo

Fine

Le interazioni I processi fisici che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono molteplici: Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei mezzi attraversati I fotoni sono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che producono per effetto fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie I neutroni possono avere interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche oppure possono essere catturati da nuclei ed emettere altre particelle rivelabili. Le particelle più difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. Anche in questo caso la rivelazione avviene per mezzo delle particelle cariche secondarie generate nelle interazioni.

Rivelatori di particelle: requisiti di un rivelatore La valutazione di alcune caratteristiche del segnale prodotto dal rivelatore (ampiezza, tempo) permette di determinare il valore di alcune quantita` della particella (energia ceduta, tempo di arrivo). L’ efficienza di un rivelatore è il rapporto tra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti sul rivelatore. Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore che non corrispondono ad un evento fisico (una particella) ma sono dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (per es. rumore elettronico). sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. Alcuni requisiti dei rivelatori: Alta efficienza (~ 100%) Basso rumore Piccola risoluzione (cioè alta precisione) per tutte le grandezze fisiche misurate. Stabilità delle prestazioni nel tempo. Facilità di calibrazione.

Applicazioni dei rivelatori a scintillazione I rivelatori a scintillazione hanno diverse applicazioni: 1. misure di energia: con gli scintillatori si può realizzare un calorimetro, che è un rivelatore che permette di misurare l’energia persa dalla particella mentre lo attraversa (se la particella si ferma al suo interno, ne viene misurata tutta l’energia). 2. misure di tempo di volo, cioè del tempo impiegato da una particella per attraversare un certo spazio (lo spazio tra due rivelatori per esempio): se ne ricava la velocità della particella. 3. rivelatori traccianti: utilizzando le fibre scintillanti (di sezione molto piccola) si possono costruire dei rivelatori a scintillazione che forniscono con precisione il punto di passaggio della particella e permettono di ricostruirne la traiettoria (traccia). 4. contatori di trigger/veto: quando la presenza di un segnale in uno o piu` rivelatori serve per selezionare o scartare un evento prima che esso venga acquisito dai circuiti elettronici e memorizzato dai computer sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce.

Misura delle caratteristiche di un rivelatore Per poter utilizzare un rivelatore in esperimenti è prima necessario calibrare il rivelatore, ossia determinarne le caratteristiche principali, In questi casi si possono utilizzare: sorgenti radioattive fasci di particelle note di energia definita (fasci di test) i raggi cosmici, fonte naturale e costante di particelle. sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. Per il nostro esperimento utilizzeremo i RAGGI COSMICI

Argomento del corso I Raggi Cosmici (RC) sono principalmente nuclei atomici di alta energia che colpiscono la terra da ogni direzione. Come dice il nome stesso, provengono dal Cosmo, cioè dallo spazio che ci circonda. La loro origine e’ sia galattica che extragalattica. L’esistenza dei Raggi Cosmici fu scoperta dal fisico tedesco Victor Hess agli inizi del ventesimo secolo. Si pensa che i Raggi Cosmici di origine galattica vengano accelerati in seguito alle esplosioni di Supernovae. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare ed e’ in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle che vediamo nei RC.  I RC che raggiungono dallo spazio la sommità dell’atmosfera interagiscono con i nuclei dell’atmosfera stessa, generando sciami di particelle secondarie (sciami estesi). I RC più energetici misurati producono centinaia di miliardi di particelle secondarie, molte delle quali giungono sulla superficie della Terra. Durante le lezioni, apprenderemo qualcosa sull’origine astrofisica dei raggi cosmici e sulle conseguenze dei RC nella vita di tutti i giorni. Infatti i RC hanno (o hanno avuto) effetti anche per quanto riguarda: lo sviluppo della vita sulla Terra, per cui è necessaria la presenza dell’Atmosfera; la limitazione alla permanenza dell’Uomo nello spazio; i disturbi nelle telecomunicazioni; la possibilità di datare reperti archeologici (datazione del 14C). Per misurare i RC che ci giungono dallo spazio (misure dirette), occorre inviare dei rivelatori (tramite sonde o satelliti) sulla sommità dell’atmosfera. Gli effetti dei RC più energetici, ossia la moltiplicaz ione di particelle negli sciami estesi, possono essere misurate a livello del mare in un laboratorio attrezzato con un telescopio per muoni. Queste misure sono oggetto dei nostri laboratori. E’ consigliata, agli studenti che non lo abbiano mai visto, la visione del film di Kubrick: “2001, Odissea nello spazio”.

Argomento dei laboratori 1A. Un telescopio di muoni L’attività presso il laboratorio in cui si trova il telescopio per la rivelazione dei raggi cosmici secondari che giungono al livello del suolo, permetterà di conoscere meglio la natura di tali particelle e di “vederle”. Per questa misura, è necessario un telescopio per muoni, composto da due piani di contatori a scintillazione e dall’elettronica necessaria per l’uso. Una breve illustrazione sul principio di funzionamento dei rivelatori e delle apparecchiature presenti permetterà di conoscere meglio la strumentazione utilizzata. La maggior parte del tempo sarà quindi impiegato dagli studenti, sotto la guida dei supervisori, ad attivare le procedure necessarie per utilizzare la strumentazione necessar ia per rivelare le particelle, contarle, immagazzinare le informazioni e poi elaborarle tramite il computer. 1B. Rivelatori nucleari a tracce Le misure dirette di raggi cosmici vengono effettuate da rivelatori trasportati sulla sommità dell’atmosfera da palloni o satelliti. Un efficace tipo è il “rivelatore nucleare a tracce” . Questi sono materiali che si comportano come una “lastra fotografica” per le particelle cariche. Quando sono attraversate da un Raggio Cosmico (o da un’altra particella ionizzante), vengono prodotte nel rivelatore microscopici difetti che sono evidenziati da uno “sviluppo” chimico , e sono poi visualizzate mediante opportuni apparati ottici. I rivelatori nucleari a tracce vengono usati anche come dosimetri per la radioprotezione. Lo studente imparerà a utilizzare questo tipo di rivelatori. Il supervisore del laboratorio utilizzerà una sorgente radioattiva per irraggiare alcune lastrine di rivelatore. Gli studenti effettueranno lo sviluppo chimico delle lastrine irraggiate e misureranno le dimensioni delle tracce con un microscopio ottico. Eseguiranno anche la calibrazione del microscopio (per determinarne l’area di vista) allo scopo di stabilire l’attività della sorgente (cioè, il numero di particelle emesse per secondo). 1C. Analisi di tracce di Raggi Cosmici misurate da rivelatori trasportati ad alta quota Verranno utilizzate alcune lastrine di rivelatori nucleari a tracce (analoghe a quelle viste nel lab. 2) , che cono state trasportate alla sommità dell’atmosfera da un pallone. Queste, hanno registrato i RC provenienti dallo spazio, in particolare i nuclei dal Carbonio (carica elettrica Ze=6) al Ferro (Ze=26) presenti nella radiazione. Gli studenti misureranno (usando sistemi semi-automatici) il diametro delle tracce, imparando a riconoscere il valore della carica Z, e poi calcolare le principali grandezze statistiche delle misure raccolte tramite strumenti informatici.

I Raggi Cosmici I Raggi Cosmici sono stati scoperti da Victor Franz Hess (1883-1964) nel 1912. All’epoca gli scienziati si trovavano di fronte a un problema che non riuscivano a spiegare: sembrava che nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale. Hess caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per misurare le particelle cariche e intraprese un viaggio che dimostrò come la quantità di particelle cariche aumentava con l’altitudine. Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici.