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Progetto LAUREE SCIENTIFICHEORIENTAMENTO E FORMAZIONE DEGLI

INSEGNANTI FISICAUnità Operativa di Bologna

Vedere i raggi Vedere i raggi cosmicicosmici

Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. PatriziiSupervisori Laboratori: H. Menghetti, M.Selvi, M. Garbini, D.Di

Ferdinando, S. Manzoor, V.Togo

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I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici

Si pensa che i Raggi Cosmici nella nostra galassia siano accelerati in seguito alle

esplosioni di Supernovae. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda

d’urto che si propaga nel gas interstellare ed è in grado di accelerare le

particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle che vediamo

nei Raggi Cosmici. 

I Raggi Cosmici sono particelle che bombardano costantemente la

Terra da ogni direzione. Le energie di queste particelle ricoprono un vasto intervallo fino ad arrivare

oltre 1020 eV.

La loro origine è sia galattica che extragalattica. 

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I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici I Raggi Cosmici sono principalmente protoni, ma includono anche molti altri

nuclei, con una composizione fatta di oltre 400 isotopi (dai nuclei di Idrogeno a quelli di

Uranio), componente primaria.

Tali particelle arrivano sulla sommità dell’atmosfera e,

interagendo con essa, generano sciami di particelle più leggere, quali elettroni,

muoni, pioni e neutrini, componente secondaria.Per misurare la componente primaria occorre “andare in

quota”. A livello del mare si rivela la componente secondaria dei

Raggi Cosmici. Il flusso di particelle cariche che incide su

una superficie orizzontale al livello del mare è di circa 200

particelle/(m2 s).

Ma come possiamo “vedere” queste particelle?

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Rivelazione di particelleRivelazione di particelle

Una particella elementare può essere vista perché attraversando la materia perde energia interagendo con gli atomi che costituiscono la materia stessa.

L’energia persa nel materiale può provocare fenomeni diversi. I rivelatori di particelle sono realizzati in modo tale da sfruttare tali fenomeni.

particella

Un rivelatore di particelle al CERN

Scintillatore -> Telescopio di muoni

Rivelatori Nucleari a tracce

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Un telescopio di muoniUn telescopio di muoni

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ScintillatoreScintillatore

1. la particella carica cede energia agli elettroni delle molecole dello scintillatore

2. gli elettroni degli atomi di uno scintillatore sono “eccitati” (acquistano energia) dalla particella che lo attraversa

3. dopo pochissimo tempo (qualche nanosecondo), gli elettroni si “diseccitano” (perdono energia) emettendo luce (fotoni).

E2

E1elettrone

Particella carica

E2

E1

E2

E1

luce

Uno scintillatore è un materiale che emette luce quando è attraversato da una particella carica.

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Come misurare la luce di Come misurare la luce di scintillazione?scintillazione?

Per misurare la luce di scintillazione occorre

trasformarla in “qualcosa di misurabile”, cioè in una corrente elettrica

Il fotomoltiplicatore:

dispositivo che trasforma un piccolo segnale di luce in una corrente

elettrica.

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Il FotomoltiplicatoreIl Fotomoltiplicatore

La sequenza dei dinodi, posti a tensione diversa, moltiplica gli

elettroni prodotti e li dirige verso l’uscita del

fotomoltiplicatore (anodo). Dall’anodo possiamo prelevare

e misurare una corrente elettrica!

Un fotomoltiplicatore è costituito da una successione di elettrodi a cui è applicata una differenza di potenziale (dinodi). I fotoni della luce di scintillazione che arrivano sul fotomoltiplicatore colpiscono il “fotocatodo” e , per effetto fotoelettrico, si ha emissione

di elettroni.

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Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!

Determinazione della tensione di lavoro del fotomoltiplicatore. Il passaggio delle particelle nello scintillatore produce una corrente elettrica (segnale) se al fotomoltiplicatore è applicata la “giusta” differenza di potenziale.

Osservazione del segnale. Il segnale prodotto può essere visto su un oscilloscopio.

In questo esperimento si osserverà come il passaggio di raggi cosmici possa essere “visto” dagli scintillatori

Telescopio di raggi cosmici Oscilloscopio

1010Coincidenza dei segnali in più scintillatori = passaggio di

particelle!

Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!

Scintillatore

Segnale analogico

Fototubo

Discriminatore

Guida di luce

Rivelatore Amplificatore Analizzatore

coincidenza

particellaS

eg

nale

di g

itale

Scintillatore

Fototubo

Discriminatore

Discriminazione della particella dal rumore. Per discriminare il passaggio di una particella “vera” dal rumore elettronico è necessaria la coincidenza di segnali da scintillatori o fotomoltiplicatori diversi. Occorre quindi “inviare” i segnali analogici in appositi moduli di elettronica che li trasformano in segnali digitali “standard” e che permettono di definire la coincidenza di segnali.

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Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!Un telescopio di muoni: fisici per un giorno!

Acquisizione dati. I segnali analogici relativi al passaggio di particelle possono essere inviati in appositi moduli di elettronica per estarne le informazioni di interesse fisico (ampiezza del segnale, tempo di arrivo ecc).

Analisi dati. Tali informazioni possono essere infine registrate sul computer ed essere elaborate per poter fare misure di energia, di velocità, ecc.

Moduli di elettronica

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Rivelatori Nucleari a TracceRivelatori Nucleari a Tracce

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Alcuni materiali (plastiche, vetri, minerali ecc.) hanno la proprietà di conservare traccia delle particelle cariche che li attraversano.Un materiale molto usato è un polimero, il CR39, utilizzato commercialmente per la produzione di occhiali da sole.

Le particelle cariche che attraversano un pezzo di CR39 rompono le catene polimeriche in una regione cilindrica (Ø 100 Å) contenuta attorno alla traiettoria della particella.Questo danno può essere amplificato e reso visibile ad un microscopio ottico attraverso un processo di attacco chimico (“chemical etching”)

Rivelatori nucleari a Rivelatori nucleari a traccetracce

1414

45 h, NaOH 6N,70o C

Dalla geometria del cono si risale (previa opportuna

calibrazione) alle caratteristiche della

particella !

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Esposizione di un campione ad una sorgente di particelle alfa

Preparazione della soluzione e attacco chimico del campione

Visualizzazione al microscopio delle tracce delle particelle alfa

Conteggio attivita’ della sorgente

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno!giorno!

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Misura delle aree delle tracce con sistema automatico di un campione esposto a raggi cosmici su un pallone sulla sommità dell’atmosfera (componente primaria dei raggi cosmici)

Distribuzione delle aree distribuzione in carica

Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un Rivelatori nucleari a tracce: fisici per un giorno!giorno!

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Vedere i raggi cosmiciVedere i raggi cosmici

Telescopio di muoni

Rivelatori Nucleari a tracce

Analisi di tracce di Raggi Cosmici misurate da rivelatori trasportati ad alta quota

Responsabili: G. Sartorelli, M. Spurio, L. PatriziiSupervisori Laboratori: H. Menghetti, M.Selvi, M. Garbini, D.Di

Ferdinando, S. Manzoor, V.Togo

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FineFine

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Le particelle più difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. Anche in questo caso la rivelazione avviene per mezzo delle particelle cariche secondarie generate nelle interazioni.

I fotoni sono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che producono per effetto fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie

I neutroni possono avere interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche oppure possono essere catturati da nuclei ed emettere altre particelle rivelabili.

Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei mezzi attraversati

Le interazioniLe interazioniI processi fisici che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono molteplici:

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Rivelatori di particelle: requisiti di un Rivelatori di particelle: requisiti di un rivelatorerivelatore

La valutazione di alcune caratteristiche del segnale prodotto dal rivelatore (ampiezza, tempo) permette di determinare il valore di alcune quantita` della particella (energia ceduta, tempo di arrivo).

La valutazione di alcune caratteristiche del segnale prodotto dal rivelatore (ampiezza, tempo) permette di determinare il valore di alcune quantita` della particella (energia ceduta, tempo di arrivo).

L’ efficienza di un rivelatore è il rapportotra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti sul rivelatore.Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore che non corrispondono ad un evento fisico (una particella) ma sono dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (per es. rumore elettronico).

L’ efficienza di un rivelatore è il rapportotra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti sul rivelatore.Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore che non corrispondono ad un evento fisico (una particella) ma sono dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (per es. rumore elettronico).

Alcuni requisiti dei rivelatori:Alta efficienza (~ 100%)Basso rumorePiccola risoluzione (cioè alta precisione) per tutte le grandezze fisiche misurate.Stabilità delle prestazioni nel tempo.Facilità di calibrazione.

Alcuni requisiti dei rivelatori:Alta efficienza (~ 100%)Basso rumorePiccola risoluzione (cioè alta precisione) per tutte le grandezze fisiche misurate.Stabilità delle prestazioni nel tempo.Facilità di calibrazione.

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I rivelatori a scintillazione hanno diverse applicazioni:

1. misure di energia: con gli scintillatori si può realizzare un calorimetro, che è un rivelatore che permette di misurare l’energia persa dalla particella mentre lo attraversa (se la particella si ferma al suo interno, ne viene misurata tutta l’energia).

2. misure di tempo di volo, cioè del tempo impiegato da una particella per attraversare un certo spazio (lo spazio tra due rivelatori per esempio): se ne ricava la velocità della particella.

3. rivelatori traccianti: utilizzando le fibre scintillanti (di sezione molto piccola) si possono costruire dei rivelatori a scintillazione che forniscono con precisione il punto di passaggio della particella e permettono di ricostruirne la traiettoria (traccia).

4. contatori di trigger/veto: quando la presenza di un segnale in uno o piu` rivelatori serve per selezionare o scartare un evento prima che esso venga acquisito dai circuiti elettronici e memorizzato dai computer

I rivelatori a scintillazione hanno diverse applicazioni:

1. misure di energia: con gli scintillatori si può realizzare un calorimetro, che è un rivelatore che permette di misurare l’energia persa dalla particella mentre lo attraversa (se la particella si ferma al suo interno, ne viene misurata tutta l’energia).

2. misure di tempo di volo, cioè del tempo impiegato da una particella per attraversare un certo spazio (lo spazio tra due rivelatori per esempio): se ne ricava la velocità della particella.

3. rivelatori traccianti: utilizzando le fibre scintillanti (di sezione molto piccola) si possono costruire dei rivelatori a scintillazione che forniscono con precisione il punto di passaggio della particella e permettono di ricostruirne la traiettoria (traccia).

4. contatori di trigger/veto: quando la presenza di un segnale in uno o piu` rivelatori serve per selezionare o scartare un evento prima che esso venga acquisito dai circuiti elettronici e memorizzato dai computer

Applicazioni dei rivelatori a scintillazioneApplicazioni dei rivelatori a scintillazione

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Misura delle caratteristiche di un Misura delle caratteristiche di un rivelatorerivelatore

Per poter utilizzare un rivelatore in esperimenti è prima necessario calibrare il rivelatore, ossia determinarne le caratteristiche principali,

In questi casi si possono utilizzare:

sorgenti radioattive fasci di particelle note di energia definita (fasci di test) i raggi cosmici, fonte naturale e costante di particelle.

Per poter utilizzare un rivelatore in esperimenti è prima necessario calibrare il rivelatore, ossia determinarne le caratteristiche principali,

In questi casi si possono utilizzare:

sorgenti radioattive fasci di particelle note di energia definita (fasci di test) i raggi cosmici, fonte naturale e costante di particelle.

Per il nostro esperimento utilizzeremo i RAGGI COSMICI

Per il nostro esperimento utilizzeremo i RAGGI COSMICI

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Argomento del corso I Raggi Cosmici (RC) sono principalmente nuclei atomici di alta energia che colpiscono la terra da ogni

direzione. Come dice il nome stesso, provengono dal Cosmo, cioè dallo spazio che ci circonda. La loro origine e’ sia galattica che extragalattica. L’esistenza dei Raggi Cosmici fu scoperta

dal fisico tedesco Victor Hess agli inizi del ventesimo secolo.Si pensa che i Raggi Cosmici di origine galattica vengano accelerati in seguito alle esplosioni di

Supernovae. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare ed e’ in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle

che vediamo nei RC.  I RC che raggiungono dallo spazio la sommità dell’atmosfera interagiscono con i nuclei dell’atmosfera

stessa, generando sciami di particelle secondarie (sciami estesi). I RC più energetici misurati producono centinaia

di miliardi di particelle secondarie, molte delle quali giungono sulla superficie della Terra. Durante le lezioni, apprenderemo qualcosa sull’origine astrofisica dei raggi cosmici e sulle conseguenze

dei RC nella vita di tutti i giorni. Infatti i RC hanno (o hanno avuto) effetti anche per quanto riguarda:lo sviluppo della vita sulla Terra, per cui è necessaria la presenza dell’Atmosfera;la limitazione alla permanenza dell’Uomo nello spazio;i disturbi nelle telecomunicazioni;la possibilità di datare reperti archeologici (datazione del 14C).Per misurare i RC che ci giungono dallo spazio (misure dirette), occorre inviare dei rivelatori (tramite

sonde o satelliti) sulla sommità dell’atmosfera. Gli effetti dei RC più energetici, ossia la moltiplicazione di particelle negli sciami estesi, possono essere misurate a livello del mare in un laboratorio attrezzato

con un telescopio per muoni. Queste misure sono oggetto dei nostri laboratori. E’ consigliata, agli studenti che non lo abbiano mai visto, la visione del film di Kubrick: “2001, Odissea

nello spazio”.

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Argomento dei laboratori 1A. Un telescopio di muoniL’attività presso il laboratorio in cui si trova il telescopio per la rivelazione dei raggi cosmici secondari che giungono al livello del suolo,

permetterà di conoscere meglio la natura di tali particelle e di “vederle”. Per questa misura, è necessario un telescopio per muoni, composto da due piani di contatori a scintillazione e dall’elettronica necessaria per

l’uso. Una breve illustrazione sul principio di funzionamento dei rivelatori e delle apparecchiature presenti permetterà di conoscere meglio la strumentazione utilizzata.La maggior parte del tempo sarà quindi impiegato dagli studenti, sotto la guida dei supervisori, ad attivare le procedure necessarie per

utilizzare la strumentazione necessaria per rivelare le particelle, contarle, immagazzinare le informazioni e poi elaborarle tramite il computer.1B. Rivelatori nucleari a tracce Le misure dirette di raggi cosmici vengono effettuate da rivelatori trasportati sulla sommità dell’atmosfera da palloni o satelliti. Un efficace

tipo è il “rivelatore nucleare a tracce”. Questi sono materiali che si comportano come una “lastra fotografica” per le particelle cariche.Quando sono attraversate da un Raggio Cosmico (o da un’altra particella ionizzante), vengono prodotte nel rivelatore microscopici difetti che

sono evidenziati da uno “sviluppo” chimico, e sono poi visualizzate mediante opportuni apparati ottici. I rivelatori nucleari a tracce vengono usati anche come dosimetri per la

radioprotezione.Lo studente imparerà a utilizzare questo tipo di rivelatori. Il supervisore del laboratorio utilizzerà una sorgente radioattiva per irraggiare

alcune lastrine di rivelatore. Gli studenti effettueranno lo sviluppo chimico delle lastrine irraggiate e misureranno le dimensioni delle tracce con un microscopio ottico. Eseguiranno

anche la calibrazione del microscopio (per determinarne l’area di vista) allo scopo di stabilire l’attività della sorgente (cioè, il numero di particelle emesse per secondo).1C. Analisi di tracce di Raggi Cosmici misurate da rivelatori trasportati ad alta quotaVerranno utilizzate alcune lastrine di rivelatori nucleari a tracce (analoghe a quelle viste nel lab. 2) , che cono state trasportate alla sommità

dell’atmosfera da un pallone. Queste, hanno registrato i RC provenienti dallo spazio, in particolare i nuclei dal Carbonio (carica elettrica Ze=6) al Ferro (Ze=26) presenti nella

radiazione.Gli studenti misureranno (usando sistemi semi-automatici) il diametro delle tracce, imparando a riconoscere il valore della carica Z, e poi

calcolare le principali grandezze statistiche delle misure raccolte tramite strumenti informatici.

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I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici

I Raggi Cosmici sono stati scoperti da Victor Franz Hess

(1883-1964) nel 1912. All’epoca gli scienziati si trovavano di fronte a un

problema che non riuscivano a spiegare: sembrava che

nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale. Hess

caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per

misurare le particelle cariche e intraprese un viaggio che

dimostrò come la quantità di particelle cariche aumentava

con l’altitudine. Questo significava che la radiazione

sconosciuta non aveva origine terrestre ma proveniva dallo

spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici.