Raggi cosmici e matriuske Dal modello atomico alle

Raggi cosmici e matriuske Dal modello atomico alle particelle subatomiche 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 1

Collocazione curriculare Classe quinta liceo scientifico ü Prerequisiti: ü - 29/10/2020 Atomi e struttura atomica Struttura del nucleo Radioattività Stabilità ed energie di legame Reazioni nucleari artificiali Gilardini Gianfranco 2

Finalità ü 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 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 3

Motivazione della scelta n n n 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 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 4

Cenni storici 1912 Franz Hess ascensione in mongolfiera (Raggi g) n 1925 Millikan Cosmic ray n 1928 Bathe-Kolhorster natura corpuscolare n 1932 Anderson tracce particelle positive in camera a nebbia n 1933 Blackett e Occhialini antielettrone (Dirac 1928) n 1943 -47 Conversi-Pancini-Piccioni Scoperta muone n 1947 Powel-Occhialini-Lattes Scoperta pioni (Yukawa 1934) n 1949 Fermi Ipotesi di origine galattica e non solare n 1951 Nuove particelle lambda 0 e K 0 n 1956 Cicconi Ipotesi origine extragalattica n 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 5

I raggi cosmici …. 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 6

Classificazione in base all’origine n 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) n Secondari Sciami dovuti interazione dei raggi cosmici con atmosfera terrestre che giungono sulla superficie terrestre(pioggia cosmica ~ 4000 particelle/min) 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 7

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, p 0, p+, p-, antinuetroni, antiprotoni, kaoni e iperoni. I p 0 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. 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 8

Range di energie n n Primari da 109 e. V a 1018 e. V 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/(m 2 s sterad), Energia media ~Ge. V 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 9

Il pione ed il muone n Reazione dovuta all’interazione secondaria + + + n - - + Decadimento muone (instabile) + e+ + + e Legenda: = positrone = antineutrino muonico e = neutrino elettronico e+ 29/10/2020 - e- + + e (ZO 11) - +p n + (Z>11) e- = elettrone = neutrino muonico e = antineutrino elettronico p = protone n = neutrone Gilardini Gianfranco 10

Il pione 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 11

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 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 12

Un po’ di ordine 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 13

Rilievo raggi cosmici n Fuori dall’atmosfera (Satelliti, shuttle) Alfa Magnetic spectrometer 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 14

Rilievo raggi cosmici n Array a cielo aperto (Gran Sasso, CASA, Auger. . ) 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 15

Rilievo neutrino n Sotterranei (Gran Sasso, Cern etc) 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 16

Come proseguire n n Effettuare esperimento di conteggio Esposizione personale di volo Ricerca internet esperimenti ed apparati sperimentali Discussione sulle attuali evoluzioni della ricerca attraverso articoli 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 17

Esperimento n n 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 29/10/2020 Gilardini Gianfranco 18