Caratterizzazione dei raggi cosmici rivelati dall'esperimento Argo-YBJ in funzione della quota di interazione del primario

4 CAPITOLO 1: I RAGGI COSMICI I raggi cosmici sono l’insieme di particelle, cariche e neutre, che viaggiano a velocità prossime a quella della luce e colpiscono la Terra da tutte le direzioni. Furono scoperti nel 1911-1912, quando si osservò che la conduttività elettrica dell’atmosfera terrestre poteva essere attribuita a fenomeni di ionizzazione, causati dall’interazione dei gas atmosferici con una radiazione energetica 1 . Si scoprì che la ionizzazione dei gas che costituiscono l'atmosfera aumenta con l’altitudine, quindi la radiazione responsabile di questo fenomeno doveva provenire dallo spazio esterno. La scoperta, poi, che l’intensità della radiazione dipende dalla latitudine implica che le particelle che la costituiscono siano elettricamente cariche e vengano pertanto deflesse dal campo magnetico terrestre. 1.1 Composizione dei raggi cosmici Si deve innanzitutto distinguere tra raggi cosmici primari ,l’insieme delle particelle cariche che sono distribuite uniformemente nello spazio e che incidono sugli strati più esterni dell’atmosfera, e raggi cosmici secondari che sono i prodotti di interazione fra il raggio cosmico primario e l’atmosfera terrestre. I raggi cosmici primari sono costituiti principalmente da protoni (89 %) e da nuclei di elio (9%-10%). La restante percentuale è data da nuclei più pesanti, elettroni, neutrini, gamma di alta energia e una piccolissima frazione di antimateria (positroni e antiprotoni). Nei raggi cosmici (RC) sono presenti tutte le specie nucleari fino all’uranio, la cui abbondanza relativa dipende dall’energia. Attraverso esperimenti condotti su satelliti si sono potute indagare le caratteristiche dei raggi cosmici primari, in particolare la loro composizione. La composizione dei raggi cosmici varia nel percorso dalla sorgente a Terra a causa delle interazioni con il mezzo interstellare che danno luogo a molte altre particelle. Dal confronto tra le abbondanze relative dei nuclei presenti nei RC rispetto alle abbondanze relative nel Sistema Solare (Figura 1.1), si possono ricavare importanti informazioni. Come si vede dalla figura nella pagina successiva la composizione chimica dei RC e degli elementi presenti nel Sistema Solare è simile, infatti si può notare in entrambi i casi un effetto pari-dispari. Gli elementi con Z e/o A pari sono più legati e quindi più abbondanti in natura essendo maggiormente stabili, in questo modo infatti si riduce l’effetto di repulsione fra cariche dello stesso segno presenti nel nucleo. I nuclei più leggeri, H ed He, sono molto meno abbondanti nei RC: questo può essere dovuto al fatto che i meccanismi di fissione, che portano alla produzione di atomi leggeri, sono meno frequenti nei RC. Gli elementi come Litio (Li), Berillio (Be), Boro (B), Scandio (Sc), Vanadio (V), Cromo (Cr), Manganese (Mn) sono invece di vari ordini di grandezza più abbondanti nei RC rispetto alla materia del Sistema Solare. Questi dati possono essere spiegati con il processo detto di “spallazione” per il quale i nuclei più pesanti dei RC come Carbonio (C), Ossigeno (O), Magnesio (Mg), Silicio (Si) e Ferro (Fe), prodotti nella fase finale del processo di nucleosintesi stellare, attraversando gli spazi galattici e intergalattici, reagiscono con le particelle del mezzo interstellare (Inter-Stellar Matter) frammentandosi e producendo gli elementi 1 Fu Victor Hess, nel 1912, con l’aiuto di palloni sonda e di una mongolfiera, a dimostrare che questa radiazione ionizzante aumentava con la quota e che aveva quindi origine extraterrestre, scoprendo di fatto i raggi cosmici.