Coelum Astronomia 211 - 2017 - Page 28

Due grandi ricerche dimostrarono agli inizi del ‘900 che le radiazioni ionizzanti a livello del mare provengono in parte (circa l’80%) dal suolo e per la parte rimanente da particelle di origine

extraterrestre: l’italiano Domenico Pacini registrò la diminuzione della radioattività all'aumentare della profondità nel mare, e l’austriaco Victor Hess, premio Nobel nel 1936 (Pacini era morto

da due anni), registrò l'aumento della radioattività con l'altezza in un volo su pallone aerostatico.

Le energie di queste particelle extraterrestri possono arrivare fino a 1012 giga-elettronvolt (un giga-elettronvolt, simbolo GeV, è l’energia necessaria a creare un protone in base alla relazione di Einstein E=mc2), ovvero 100 milioni di volte più alte delle energie dei fasci di particelle al collisionatore LHC del CERN di

Ginevra. E ci sono buoni motivi per pensare che queste siano anche le energie più alte delle

particelle che possono arrivare sulla Terra, visto

che le particelle cosmiche con energie oltre quel

valore

interagiscono in modo distruttivo con la radiazione di fondo a 3 kelvin.

Le particelle di energia oltre il giga-elettronvolt,

sono principalmente nuclei atomici:

circa l’89% sono protoni, ossia nuclei di idrogeno,

l'elemento più leggero e più comune nell'Universo. Il 10% circa sono nuclei di elio e l’1% nuclei più pesanti fino all’uranio. Una piccola parte (in media meno dello 0,1%) è costituita da particelle neutre, per lo più fotoni di alta energia (detti per motivi storici “raggi gamma”) e neutrini. Vedremo che proprio questa piccola parte ha invece una grandissima importanza dal punto di vista astronomico.

Arrivati sulla parte alta della nostra atmosfera, questi nuclei atomici cosmici si scontrano con i i nuclei degli atomi dell’atmosfera stessa, creando sciami di particelle (vedi figura nella prossima pagina), principalmente pioni. I pioni carichi

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Sopra. Domenico Pacini.

Esiste un limite teorico superiore all’energia dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra da regioni lontane: questo limite è legato alla presenza in ogni luogo dell’Universo della radiazione fossile (o “Cosmic Microwave Background”, CMB). I fotoni della CMB costituiscono oggi una sorta di bagno termico molto freddo (meno di 3 kelvin), e quindi hanno una bassissima energia, meno di un millesimo di quella della luce visibile. Ai raggi cosmici ultra-energetici che collidono su di essi a velocità prossime a quella della luce e ad altissime energie, per la teoria della relatività l’energia appare superiore. I protoni di energia più alta di un miliardo di TeV hanno interazioni distruttive con i fotoni della CMB e perdono energia. Questo meccanismo fu previsto indipendentemente dall’americano Greisen e dai russi Zatsepin e Kuz’min nel 1966, vale a dire subito dopo la scoperta del fondo di microonde, ed è detto “meccanismo di GZK”.

Il Meccanismo di GZK:

il limite teorico superiore all’energia dei raggi cosmici

Sopra. Victor Hess.

Due grandi ricerche dimostrarono agli inizi del ‘900 che le radiazioni ionizzanti a livello del mare provengono in parte (circa l’80%) dal suolo e per la parte rimanente da particelle di origine

extraterrestre: l’italiano Domenico Pacini registrò la diminuzione della radioattività all'aumentare della profondità nel mare, e l’austriaco Victor Hess, premio Nobel nel 1936 (Pacini era morto

da due anni), registrò l'aumento della radioattività con l'altezza in un volo su pallone aerostatico.

Le energie di queste particelle extraterrestri possono arrivare fino a 1012 giga-elettronvolt (un giga-elettronvolt, simbolo GeV, è l’energia necessaria a creare un protone in base alla relazione di Einstein E=mc2), ovvero 100 milioni di volte più alte delle energie dei fasci di particelle al collisionatore LHC del CERN di Ginevra. E ci sono buoni motivi per pensare che queste siano anche le energie più alte delle

particelle che possono arrivare sulla Terra, visto

che le particelle cosmiche con energie oltre quel valore interagiscono in modo distruttivo con la radiazione di fondo a 3 kelvin.

Le particelle di energia oltre il giga-elettronvolt,

sono principalmente nuclei atomici:

circa l’89% sono protoni, ossia nuclei di idrogeno, l'elemento più leggero e più comune nell'Universo. Il 10% circa sono nuclei di elio e l’1% nuclei più pesanti fino all’uranio. Una piccola parte (in media meno dello 0,1%) è costituita da particelle neutre, per lo più fotoni di alta energia (detti per motivi storici “raggi gamma”) e neutrini. Vedremo che proprio questa piccola parte ha invece una grandissima importanza dal punto di vista astronomico.

Arrivati sulla parte alta della nostra atmosfera, questi nuclei atomici cosmici si scontrano con i

Sopra. Domenico Pacini.

Sopra. Victor Hess.

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