Coelum Astronomia 211 - 2017 - Page 30

30

Coelum Astronomia

Come vengono prodotti i raggi cosmici?

Quale sorgente nello spazio può agire come un acceleratore di particelle più potente di LHC? Nel 1934 l’astronomo svizzero Fritz Zwicky, che aveva da poco formulato l’ipotesi dell’esistenza di “materia oscura” nell’Universo per spiegare i moti stellari, congetturò che le supernove potessero nel loro collasso creare stelle di neutroni e produrre raggi cosmici.

Negli anni tra il 1940 e il 1950 Enrico Fermi spiegò quantitativamente il possibile meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici, in particolare nei resti di supernova. L’idea originale di Fermi era che le particelle cariche guadagnassero energia nelle collisioni con le regioni di disomogeneità dei campi magnetici. La sua ipotesi era che una successione di molti casuali, durante i quali la particella acquista ogni volta una frazione di energia proporzionale a quella iniziale, la portasse ad arrivare a energie altissime – un po’ come una palla da tennis colpita più volte da più racchette che singolarmente hanno velocità inferiori alla velocità finale acquisita dalla palla.

Fermi descrisse il flusso dei raggi cosmici in funzione dell’energia attraverso una legge di potenza, ossia da una funzione del tipo E-p, con p numero positivo (circa 3 nel nostro caso: al raddoppiare dell’energia il flusso si riduce di un fattore 8). Questa previsione venne poi confermata dalle osservazioni, e il meccanismo di Fermi resta ancora il modello principe per spiegare l'accelerazione (vedi la figura a destra).

Oggi si ritiene che il motore ultimo dell’accelerazione dei raggi cosmici sia legato alla forza di gravità. In giganteschi collassi gravitazionali – come quelli che avvengono nei resti di supernova e nell’accrescimento dei buchi neri supermassicci, posti nel centro delle galassie (oggetti di masse pari a miliardi di masse solari) a spese della materia circostante – parte

dell’energia potenziale gravitazionale si trasformi in energia cinetica delle particelle.

Fra gli anni ‘30 e gli anni ‘50, prima della costruzione dei grandi acceleratori di particelle, i raggi cosmici erano la sorgente principale di particelle di alta energia per lo studio della fisica delle particelle elementari. Si devono ai raggi cosmici alcune delle scoperte più importanti nella fisica fondamentale, come la scoperta dell’antimateria nel 1931.

Negli ultimi vent’anni siamo stati capaci di costruire rivelatori sensibili ai raggi cosmici di più alta energia e la fisica dei raggi cosmici è tornata a essere strumento di punta per la fisica fondamentale. In particolare, quello che è probabilmente il più importante risultato di fisica delle particelle negli ultimi trent’anni, ovvero il

Sopra. Flusso (numero di particelle incidenti per unità di energia, per unità di tempo, per unità di superficie e per unità di angolo solido) dei raggi cosmici primari (Open source, wikimedia).