La ricerca dei Raggi Cosmici e L’unità ERGO Telescope

I Raggi Cosmici

&

l’Unità ERGO Telescope

A cura di Giuseppe D’Agostino

Raggi Cosmici Primari

I raggi cosmici sono particelle estremamente energetiche, originate principalmente al di fuori del nostro sistema solare o nel caso in cui la loro energia superiori 1mJ allora la loro provenienza è extragalattica. Le possibili sorgenti extragalattiche, sono rappresentate da supernove, nuclei galattici attivi, quasar, buchi neri super massicci al centro di galassie, gamma-ray bursts o radio galassie come Centaurus A. I raggi cosmici primari, sono composti da protoni per il 90%, nuclei di elio circa 9%, elettroni circa 1%, raggi gamma per circa lo 0.1% e come alcuni esperimenti satellitari hanno dimostrato, è presente anche una piccola frazione di antimateria, come positroni e antiprotoni.

Raggi Cosmici Secondari e Air Shower

Il raggio cosmico primario, non raggiunge mai la terra, poiché interagendo con l’atmosfera terrestre, viene convertito in un raggio cosmico secondario, in particolare il raggio cosmico primario, collidendo principalmente con molecole di ossigeno e idrogeno presenti nell’atmosfera, produce una cascata di particelle più leggere chiamata air shower. Generalmente le particelle che compongono l’air shower sono neutrini, mesoni carichi come pioni (positivi o negativi) e kaoni. Alcuni di questi decadono in muoni che possono raggiungere la terra.

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Il Flusso Di Raggi Cosmici

Il flusso di raggi cosmici che incontra l’atmosfera superiore, dipende dal vento solare, dal campo magnetico terrestre e dall’energia dei raggi cosmici. La regione tra la termination shock e l’eliopausa, funge da barriera per i raggi cosmici. Tuttavia, la forza del vento solare non è costante, e quindi è stato osservato che il flusso di raggi cosmici è correlato all’attività solare. Inoltre il campo magnetico della Terra fa deviare i raggi cosmici dalla sua superficie, dando luogo all’illusione che il flusso dipende apparentemente dalla latitudine, longitudine, e l’angolo di azimut. In realta le linee del campo magnetico deviano i raggi cosmici verso i poli, dando origine alle aurore.

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Sistemi Di Rilevamento Missione Horus III

Nella missione Horus III, verrà utilizzato la nuova unità ERGO (foto in basso), ovvero un rilevatore Gaiger-Muller interfacciato con un modulo Arduino Mega (circuito open source per prototipi), che permetterà ogni qualvolta viene rilevato un evento (Raggio Cosmico) di conteggiarlo e memorizzarne l’istante di rilevamento assieme a diverse altre informazioni, tra cui l’altitudine alla quale si verifica un rilevamento per mezzo di un sistema GPS sviluppato per lo spazio. L’unità ERGO in postazione fissa, sviluppata dal Prof. Tom Bales, responsabile del progetto ERGO Telescope, per il monitoraggio su scala globale dei raggi cosmici, in possesso della Magna Grecia Aerospace, presso la sua sede a Rosarno, è l’unico “pixel” presente sul territorio italiano. Mentre la nuova unità per i così detti “High Altitude Space Balloon”, è stata realizzata sempre dal prof. Bales e sarà per primo, il progetto Horus III a utilizzarla e sfruttare la sua nuova tecnologia.

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Funzionamento Del Rilevatore

Un contatore Geiger consiste in un tubo di vetro circa 3/4 di pollice di diametro che racchiude un cilindro metallico, spesso di rame, lungo circa 4 pollici. Lungo l’asse, corre un filo metallico molto sottile di tungsteno. Il cilindro ed il filo sono collegati attraverso l’estremità della parete del tubo di vetro ad una sorgente di tensione elettrica. Il tubo viene riempito con un gas, nel nostro caso argon, ad una pressione bassa. La tensione presente tra il cilindro (l’elettrodo negativo o catodo) e il filo (l’elettrodo positivo o anodo) sarà leggermente inferiore a quella necessaria per generare una scarica elettrica tra i due elettrodi. Ogni volta che una particella carica di energia attraversa e ionizza il gas presente nel tubo geiger muller, si innesca per alcuni microsecondi una micro scarica elettrica che fa scorrere una piccola corrente tra i due terminali del tubo contatore stesso. Essendo poi l’alimentazione fornita non in modo diretto al tubo geiger, ma con interposta una resistenza in serie al circuito di alimentazione di ben 10 milioni di ohm, allora accade che tra i terminali del tubo per effetto della caduta di tensione dovuta alla scarica elettrica nel gas si genera un impulso negativo avente e una ampiezza di circa 5/10 volts con una durata ( di circa 50 /100 microsecondi). L’impulso di tensione prodotto dal passaggio della particella ionizzante non dipende dall’energia ceduta da questa, e quindi dal numero delle coppie di ioni prodotti, Infatti, quando una particella attraversa il tubo contatore e colpisce il gas, una delle molecole di questo si ionizza, creando una coppia ione-elettrone. Ma in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria.

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Cenni Storici

Quando furono scoperti era il 1912. Allora l’unica particella nota era l’elettrone, Niels Bohr non aveva ancora presentato la sua teoria atomica e la descrizione quantistica del microcosmo era ancora lontana. In quel periodo si indagava sull’origine dei fenomeni radioattivi, che risultavano onnipresenti ed ineliminabili anche con schermature. L’austriaco Victor Hess iniziò una serie sistematica di esperimenti salendo in quota con dei palloni, per individuare la sorgente della radioattività. Misure dettagliate permisero ad Hess di dichiarare con certezza: “I risultati delle presenti osservazioni possono essere spiegati ammettendo la presenza di una radiazione estremamente energetica che penetra l’atmosfera e, interagendo, provoca la ionizzazione dell’aria così come essa viene osservata”. Per Hess si trattava di raggi gamma, gli stessi osservati nel decadimento radioattivo naturale; della stessa idea era Robert Millikan, che nel 1925 li chiamò, appunto, cosmic radiation o cosmic rays. Questa analogia accompagnò da subito gli scienziati, che, in quegli anni, stavano cercando di comprendere la natura dell’atomo. Si era ancora lontani dalla costruzione di grandi acceleratori, esistevano allora solamente pionieristici rivelatori costituiti da camere a nebbia, dove le particelle lasciavano la loro traccia a goccioline, passando attraverso un gas in soprassaturo, e contatori Geiger, in cui le particelle producono una scarica elettrica. Impilando contatori Geiger a formare “telescopi”, Walther Bothe e Werner Kolhörster nel 1928 provarono la natura corpuscolare dei raggi cosmici; il loro risultato venne confermato ed approfondito a Firenze da Bruno Rossi, che sviluppò dei circuiti elettronici per studi sistematici dei raggi cosmici. Fino agli anni ‘50, i raggi cosmici rimasero la sola sorgente naturale di particelle di alta energia, in grado di produrre nuove specie materiali. Permisero indirettamente così la prima osservazione sperimentale di due fondamentali scoperte nel campo della fisica delle particelle: l’antimateria e il processo di decadimento del pione. Nel 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 Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini che riconobbero in esse l’antielettrone o positrone proposto teoricamente da Paul Dirac, osservando la conversione di fotoni di alta energia in coppie elettrone-positrone. Particella predetta nel 1936 da Hideki Yukawa, il pione si osservò sperimentalmente solo nel 1947 da parte di Cecil Frank Pawel, Occhialini e Cesar Lattes, utilizzando speciali emulsioni fotografiche per registrare la produzione di pioni da parte dei raggi cosmici e il loro successivo decadimento in muoni, che a loro volta decadono in elettroni (o positroni) e in neutrini (invisibili). L’osservazione di sciami di particelle prodotte nelle camere a nebbia suggerì che gli stessi raggi cosmici, così come arrivavano a terra, dovevano essere il prodotto di interazioni e decadimenti successivi generati nell’interazione con l’atmosfera. La distinzione tra raggi cosmici primari e secondari, terziari e di livelli successivi emerse rapidamente. Si pose inevitabilmente la questione sull’origine e la provenienza dei raggi primari. Le ipotesi che vennero avvalorate proposero come possibile sorgente e sede dell’accelerazione dei raggi cosmici inizialmente il sole (Teller), poi la galassia (Fermi) e infine Cocconi nel 1956 notò che la componente più energetica aveva caratteristiche extragalattiche. Era necessario aspettare l’inizio della conquista dello spazio per comprendere più a fondo la provenienza dei raggi cosmici. Quarant’anni di missioni spaziali non sono molti, ma hanno suggerito agli scienziati di cercare e verificare nell’universo proprietà fondamentali nello studio di oggetti celesti, come buchi neri, stelle di neutroni e sorgenti extragalattiche lontane nello spazio e nel tempo. Ai raggi cosmici l’onore di essere i messaggeri di quell’informazione che la tecnologia non potrà mai realizzare, una macchina del tempo, efficiente e poco dispendiosa, a disposizione degli scienziati e di tutti gli interessati a leggere il libro dell’universo, delle sue leggi e della sua storia.

Effetti biologici dei Raggi Cosmici

Le particelle energetiche costituiscono un potenziale rischio per la salute degli organismi viventi, poiché possono danneggiare le cellule. Dagli studi compiuti in passato, si sa che quando una particella energetica impatta contro una cellula, interagendo con gli elettroni delle sue molecole, rilascia parte della sua energia. Le conseguenze di questa interazione dipendono molto dall’energia della particella e dalla sua specie (protone, ione, elettrone, neutrone, fotone). Qualunque danno causato alle molecole, soprattutto al DNA, può avere conseguenze per il futuro della cellula e per la sua capacità di dividersi e di mantenere la sua struttura. L’incorretto funzionamento della cellula può, a sua volta, avere effetti sul tessuto o sull’organo di cui è una parte costitutiva.

La radiazione cosmica comporta quindi due tipi di rischio per gli esseri viventi:

  • Le alti dosi di radiazione sono una minaccia immediata per la salute e persino per la vita stessa. A questo tipo di rischio possono essere esposti gli astronauti in missioni al di fuori della magnetosfera terrestre. Gli eventi di particelle solari energetiche sono riconosciuti come la più grave minaccia per i voli spaziali verso la Luna o Marte. Il grosso evento solare del 4 Agosto 1972 avvenne nel periodo delle missioni Apollo verso la Luna. Se avesse sorpreso degli astronauti in volo le conseguenze sarebbero state quasi sicuramente mortali.
  • Le bassi dosi di radiazione possono non avere conseguenze riscontrabili immediatamente, ma sul lungo periodo rappresentano un serio fattore di rischio oltre che per gli astronauti, anche per gli equipaggi degli aerei di linea su rotte polari. Volando sistematicamente in queste regioni dell’atmosfera terrestre sono esposti, infatti, a robuste e ripetute dosi di radiazione.

Quindi gli effetti sulla salute degli esseri viventi, causati dell’esposizione a queste radiazioni cosmiche sulla dipendono sia dalla quantità di energia assorbita dai tessuti (più è intenso il flusso di particelle maggiore è la quantità di energia che viene rilasciata), sia dalla specie di particelle, dalle loro energie e dallo specifico organo interessato. Per esempio i raggi X rilasciano energia in maniera quasi uniforme in un determinato volume, mentre l’energia dei neutroni viene ceduta in modo molto più localizzato secondo il tipo di interazione nucleare nel tessuto. I neutroni hanno una maggiore capacità di creare lesioni rispetto ai protoni di alta energia, agli elettroni o ai raggi gamma. Ad esempio le dosi di radiazione ricevute dal personale a bordo di navette spaziali o di aeromobili devono essere monitorate anche per valutare gli effetti cumulativi di esposizioni prolungate anche a livelli relativamente bassi. L’unità utilizzata per misurare questo effetto cumulativo è il Sievert (Rolf Sievert, fisico svedese 1896-1966). Questa unità di misura indica la somma delle dosi di radiazione assorbite dai diversi organi di un essere umano, tenendo conto della specie di particelle e dell’organo esposto secondo la sua specifica sensibilità alla radiazione ionizzante. La dose tipica di radiazione ricevuta dai raggi cosmici galattici, durante un volo transatlantico (Europa – Nord America), è di 0,05 mSv che può aumentare significativamente in occasione di eventi di particelle solari energetiche. E’ stato stimato un aumento di un fattore 10, in casi di massima esposizione ad un evento, ma questi eventi sono abbastanza rari e brevi, dunque la dose annuale non cambia fondamentalmente. Gli equipaggi degli aerei ed i passeggeri che viaggiano frequentemente accumulano annualmente dosi di pochi mSv, ma ben diverso è per gli astronauti sulla stazione spaziale o in caso di viaggio interplanetario.