È vero che siamo continuamente bombardati dai raggi
cosmici?
Scritto da: Antonella Ravizza
Scienza e Fisica Quantistica
È vero che siamo continuamente bombardati dai raggi
cosmici?
Per capire cosa sono i raggi cosmici, dovremo riprendere
qualche concetto già esposto.
La materia è fatta di atomi; semplificando e dando una
descrizione classica, ogni atomo è formato da un nucleo (composto da neutroni e
protoni) e da una nuvola di particelle negative (elettroni). I raggi cosmici
sono sostanzialmente nuclei di atomi completamente ionizzati e accelerati a
velocità vicine a quelle della luce (300.000 chilometri/secondo). Le particelle
che formano i raggi cosmici provengono da ogni direzione dello spazio e formano
una vera e propria “pioggia” che colpisce continuamente il nostro pianeta. È
stato calcolato che ogni metro quadrato dell’atmosfera terrestre viene colpito
ogni secondo da 30 mila raggi cosmici.
Raggi cosmici primari e secondari
I raggi cosmici si classificano in primari e secondari: i
primari sono appunto quelli che dalle sorgenti arrivano fino al nostro pianeta,
ed entrando in atmosfera collidono con le molecole dell’aria; i secondari sono
quelli che vengono generati dalla collisione dei primari con gli atomi
dell'atmosfera terrestre. Questa collisione infatti genera uno sciame di
particelle che si propaga fino a raggiungere il suolo terrestre.
Tra i raggi cosmici primari troviamo: protoni, neutrini,
elettroni, nuclei di varia natura e fotoni ad alta frequenza (raggi gamma). Tra
i raggi cosmici secondari troviamo: elettroni, neutroni, mesoni (Pi, K...),
muoni e neutrini. Non tutti gli sciami però riescono a raggiungere la terra: la
raggiungono solo quelli più energetici.
I raggi cosmici hanno varie origini: quelli a bassa
energia vengono dal nostro Sole e sono prodotti dalle eruzioni solari; quelli
ad alta energia invece sono prodotti molto più lontano, si pensa che provengano
dalle Supernovae (da ciò che rimane dell’esplosione di una stella massiccia).
La materia espulsa con forza dall’esplosione di una
stella si espande nello spazio entrando in contatto con altra materia e ne
accelera i nuclei, generando raggi cosmici. Un altro tipo di sorgente di raggi
cosmici sono i buchi neri che si trovano al centro delle galassie: il buco nero
ingloba la materia circostante emettendone getti a velocità prossime a quelle
della luce.
Dove si rilevano i raggi cosmici?
Da qualche anno i rilevatori di particelle presenti lungo
il circolo polare artico registrano una crescita delle radiazioni cosmiche che
colpiscono il nostro pianeta. Le alte latitudini sono le migliori per
registrare il fenomeno perché il campo magnetico terrestre convoglia verso il
Polo Nord la radiazione cosmica. Tuttavia i Poli della Terra non sono l’unico
posto dove i raggi cosmici si stanno intensificando. Una serie di palloni sonda
lanciati per una simile verifica dalla California, hanno registrato un aumento
anche a quella latitudine. Per avvicinare il più possibile la gente comune alla
scienza qualche anno fa è stato inaugurato presso la stazione Toledo della
metropolitana di Napoli (linea M1 – a ben 40 metri di profondità) un rivelatore
di raggi cosmici, visibile al pubblico, realizzato dai Laboratori Nazionali del
Gran Sasso dell’INFN. Quando una particella ad alta energia colpisce i sensori
di questo strumento i led di segnalazione si attivano rilevando il fenomeno.
Particelle estremamente energetiche sono meno frequenti di particelle meno
energetiche, ad esempio protoni con energia di 1018 eV sono piuttosto rari e
hanno una frequenza di 1 per km2 all'anno, mentre i protoni più frequenti
trasportano energie intorno a 1012 eV e si presentano circa ogni secondo per m2.
Facciamo notare che energie così alte non possono essere raggiunte dagli
attuali acceleratori di particelle sulla terra, quindi nel cosmo sono presenti
acceleratori naturali molto più potenti.
Cosa ci dicono i muoni
Spesso si studiano i muoni perché la loro presenza è una
evidente causa di particelle più pesanti provenienti dallo spazio; i muoni sono
le uniche particelle che raggiungono il terreno (quindi rilevabili) e sono
importanti anche per la relazione che hanno con i neutrini. I muoni hanno massa
circa 200 volte maggiore dell’elettrone, sono altamente energetici e
penetranti, ma essendo carichi, interagiscono solo debolmente e sono
influenzabili dai campi elettrici e magnetici. I muoni sono particelle di
seconda generazione perciò instabili, ovvero hanno una vita breve e si
trasformano in un elettrone e due neutrini, un anti-neutrino elettronico ed un
neutrino μ, per questo i muoni sono importanti anche per lo studio dei
neutrini. Viaggiano a una velocità prossima a quella della luce; data la loro brevissima
vita, sarebbero in grado di percorrere pochi metri, per cui non dovrebbero mai
arrivare sulla superficie terrestre, invece ne arrivano in gran quantità!
Secondo i fisici relativistici è proprio la grande velocità a dilatare il tempo
della esistenza dei muoni e a consentir loro di percorrere distanze molto
maggiori di quelle che la breve vita consentirebbe loro.
Raggi cosmici: come ci influenzano?
I raggi cosmici interagiscono con la materia e quindi
anche con il nostro corpo; sulla Terra possono avere importanti conseguenze,
fino ad influenzare la struttura delle nuvole. Alcuni esperimenti, infatti,
hanno dimostrato che l’interazione tra raggi cosmici e le nuvole producono
“semi” di aggregazione delle gocce e questo fa variare l’andamento naturale
delle nuvole e può scatenare la formazione di violentissimi fulmini. Ma quel
che è peggio è il fatto che possono diventare pericolosi per coloro che volano
su aerei ad alta quota su rotte polari, perché le dosi di radiazioni che
raccolgono possono diventare pericolose per la salute.
Un ulteriore rischio derivante dalla presenza di raggi
cosmici è legato alla vulnerabilità dei circuiti elettronici a queste particelle,
che può essere quantificato usando come unità di misura il ”fit”: failure in
time. Un singolo fit corrisponde a un errore per transistor su un miliardo di
ore di calcolo. Può sembrare poco, ma il problema diventa statisticamente
significativo, considerando che la maggior parte dei componenti elettronici ha
un failure rate dell’ordine delle centinaia, se non migliaia, di fit. Le
società che producono semiconduttori sono molto preoccupate per questo problema
in aumento continuo, soprattutto al diminuire delle dimensioni dei transistor
nei chip dei computer e al crescere della potenza e della capacità dei sistemi
digitali.
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