Raggi cosmici

RAGGI COSMICI

Molte delle particelle subatomiche sono state scoperte studiando quella radiazione cosmica nota sotto il nome di raggi cosmici. Definirli raggi è altamente improprio, ma ancora oggi si adotta la definizione di quando essi furono scoperti. In realtà si tratta di un flusso di particelle ad alta energia, dell'ordine dei GeV, provenienti da sorgenti cosmiche che si trovano lontanissimo, in particolare dalle supernovae, dai nuclei galattici attivi e dalla cromosfera solare quando il Sole è nella sua fase di massima attività. I raggi cosmici collidono costantemente con l'atmosfera terrestre, nella misura che ogni secondo l'alta atmosfera viene colpita da più di 10¹⁸ particelle, mentre almeno un milione di particelle che riescono a giungere a terra attraversano il nostro corpo ogni minuto.

L'intensità della radiazione cosmica primaria aumenta ovviamente con l'altitudine: è proprio questo fatto che conferma la loro provenienza cosmica. La loro intensità cambia anche con la latitudine, cosa che indica che questa radiazione consiste, almeno in parte, di particelle cariche che sono fortemente influenzate dal campo magnetico terrestre.

I raggi cosmici si dividono in primari e secondari. I raggi cosmici primari sono quelli che provengono direttamente dallo spazio, mentre i raggi cosmici secondari sono quelli che nascono da un processo a cascata quando i raggi cosmici primari collidono con gli atomi dell'alta atmosfera generando un flusso di particelle secondarie. La componente primaria dei raggi cosmici è principalmente costituita da nuclei, in particolare protoni all'87% e particelle alfa (nuclei di elio) nel 12% dei casi. Il rimanente 1% è composto da nuclei di atomi via via più pesanti fino all'uranio (seppur in bassa percentuale i raggi cosmici includono essenzialmente tutti gli elementi della tavola periodica). Queste particelle riescono a percorrere enormi distanze fino alla terra per via della bassissima densità di materia nello spazio interstellare che per questa ragione esercita uno scarsissimo effetto "frenante" o assorbente su queste particelle. Esse iniziano invece a reagire energicamente con altre particelle proprio quando incontrano l'atmosfera terrestre e danno origine ai raggi cosmici secondari. Questi sono costituiti da una "componente soft" rappresentata da elettroni, positroni, neutroni e fotoni e una "componente hard" costituita da particelle molto penetranti ed energetiche come i muoni che derivano dal decadimento di mesoni energetici ed altamente instabili denominati pioni e kaoni. Questi muoni non interagiscono fortemente con l'atmosfera per cui riescono a giungere fino a terra prima di scomparire anche grazie all'effetto di dilatazione relativistica del tempo dal momento che essi viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce. I muoni sono altamente instabili e decadono in un elettrone e due neutrini (un neutrino elettronico e un neutrino muonico) nell'arco di qualche microsecondo. Negli sciami che costituiscono il processo a cascata dei raggi cosmici secondari vengono prodotti sia muoni che anti-muoni in misura pressoché uguale. Ogni anti-muone decade in un positrone, un neutrino elettronico e un antineutrino muonico. I muoni hanno un notevole ruolo nella ionizzazione della bassa atmosfera. Quando un muone ionizza una molecola di gas, ne strappa un elettrone, rendendo quella molecola uno ione positivo, mentre l'elettrone perso viene catturato da un'altra molecola di gas creando uno ione negativo. Succede che gli ioni negativi sono più "mobili" di quelli positivi e ciò genera un campo elettrico nella nostra atmosfera in grado di influenzare la formazione, il moto delle nubi e il clima.

Solo i raggi cosmici primari ad alta energia riescono a produrre un processo a cascata sufficientemente efficiente da arrivare a terra. Quelli a bassa energia sono invece assorbiti nell'alta atmosfera e possono produrre effetti di ionizzazione, come le aurore boreali, particolarmente spettacolari che si verificano nelle regioni vicine ai due poli terrestri.

Nel complesso si può tranquillamente affermare che la fisica delle particelle elementari è nata proprio dall'osservazione dei raggi cosmici. Non ci sono dubbi che per certi versi i raggi cosmici secondari rappresentino il miglior laboratorio naturale di particelle ad alta energia. I raggi cosmici primari invece hanno più un'importanza astrofisica, perché il loro studio permette di risalire ai meccanismi cosmici ad alta energia che li hanno prodotti e di studiare le abbondanze chimiche che costituiscono le particelle che provengono da molto lontano. In ogni caso è pressoché impossibile stabilire la direzione precisa di provenienza dei raggi cosmici dal momento che nell'istante in cui essi sono prodotti dalle sorgenti astronomiche, essi, proprio per la loro natura di particelle elettricamente cariche, vengono subito deflessi dai  campi magnetici presenti in gran numero nello spazio interstellare, e in ultima fase quando si trovano in prossimità del sistema solare essi vengono deflessi dal campo magnetico interplanetario. In tal modo noi vediamo giungere raggi cosmici da tutte le direzioni.