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

Il risultato dell'interazione delle particelle primarie con l'atmosfera è un disco di particelle, più o meno spesso e più o meno esteso, che evolve nelle dimensioni e nella struttura, che viaggia circa alla velocità della luce e che infine giunge a terra se l'energia del primario è sufficientemente elevata. Uno sciame atmosferico è una "cascata" di particelle generate alla sommità dell'atmosfera dall'interazione del raggio cosmico primario, singolo nucleone, nucleo o fotone, con le molecole dell'atmosfera. Una volta prodotte, le particelle dello sciame perdono energia a causa di interazioni elastiche e anelastiche.
La produzione di particelle secondarie, e quindi il processo di moltiplicazione raggiunge un massimo e si attenua quando le particelle dello sciame, per interazioni successive, si trovano o ad avere energia al di sotto dell'energia critica di circa 80 Mev, in corrispondenza della quale i processi moltiplicativi diventano meno probabili. Questa è la fase di sviluppo dello sciame in cui il numero di particelle inizia a diminuire, poiché esse iniziano ad essere riassorbite. Fino a questo punto l'evoluzione dello sciame consiste nel progressivo aumento del numero di particelle (size), mentre queste procedono verso il suolo.
Gli EAS possono essere classificati in due categorie sulla base della natura del primario: sciami adronici, su cui si focalizzerà il mio studio,, e sciami elettromagnetici. I primi sono prodotti da un protone, un nucleo di elio o un nucleo più pesante e, mentre i secondi sono prodotti da fotoni, elettroni o positroni. Gli sciami adronici ed elettromagnetici sono profondamente diversi tra loro.

Le differenze principali fra i due tipi di sciame sono nella loro topologia e nella loro composizione. Gli sciami elettromagnetici si sviluppano con grande regolarità sia longitudinalmente, quindi rispetto alla direzione di propagazione, sia lateralmente, ovvero nel piano ortogonale alla direzione di propagazione. Gli sciami adronici invece, essendo mediati sia dall'interazione forte che da quella elettromagnetica (le cascate secondarie prodotte dai fotoni generati nel decadimento del ), mostrano maggiori irregolarità sia longitudinali che trasversali.
Nel linguaggio tecnico uno sciame atmosferico è denominato "swarm", perché consiste di un disco sottile di particelle relativistiche. Una volta entrato nell'atmosfera terrestre un raggio cosmico percorre al massimo una distanza dell'ordine di una decina di km prima di interagire con un nucleone dell'atmosfera.
L'interazione, se il primario è un nucleo, dà inizio ad uno sciame ddi particelle secondarie formato da e altri adroni che poi decadono in muoni e neutrini, e da pioni neutri che, decadendo in coppie d di fotoni, danno inizio ad uno sciame puramente elettromagnetico. Qualora il primario fosse esso stesso un fotone si genererebbe subito una cascata elettromagnetica, come più avanti verrà esplicitato.

Un raggio cosmico induce quindi uno sciame atmosferico che ha tre componenti: elettromagnetica, muonica e adronica . La distinzione fra componente hard (dura) e soft(molle) invece è stata introdotta per gli apparati di sciami a terra, con questa notazione si faceva riferimento infatti alla componente più (muoni) o meno penetrante (fotoni, positroni,elettroni) dei raggi cosmici rispetto ad uno spessore di piombo. La direzione di arrivo del primario definisce l'asse dello sciame e il punto di intersezione di questo asse con il suolo è detto core. La densità di particelle a terra in funzione della distanza dall'asse dello sciame è detta funzione di distribuzione laterale, mentre lo sviluppo longitudinale dello sciame fornisce informazioni sul numero di particelle prodotte in funzione della profondità atmosferica attraversata lungo la direzione dell'asse dello sciame.