I RAGGI COSMICI: IERI, OGGI, DOMANI di Piero Spillantini · fondamentali per l’astrofisica, e...

ANALYSIS Rivista di cultura e politica scientifica N. 4/2003

P. Spillantini: Raggi cosmici 1

I RAGGI COSMICI: IERI, OGGI, DOMANIdi Piero Spillantini

L’articolo descrive l’attuale stato delle ricerche nel campo dei raggi cosmici galattici ed abbracciatutte le tematiche con un approccio storico che parte dalla esperienza personale dell’autore nel suoprogressivo inserimento nel campo. Termina tracciando le linee essenziali del possibile sviluppo nelprossimo futuro.

IL MIO PRIMO INCONTRO

Cominciò nel 1979, con il seminario diPeter Kiraly ai laboratori di Frascati. Fino adallora per me i raggi cosmici erano particelleche, arrivando dall’alto, davano un po’ diutili impulsi nei rivelatori, ed erano inoltreun fondo da combattere quando gli eventi dastudiare prodotti agli acceleratori eranomolto rari. Kiraly parlò di un eccesso diantiprotoni nei raggi cosmici, il cui studiosembrava aprire nuovi orizzonti allaconoscenza dell’universo. Non poteiastenermi dall’immaginare subito come inuovi rivelatori che da Frascati stavanodiffondendosi un po’ dovunque, i famosi tubistreamer alla ‘Iarocci’, potessero formare ungrande cubo in cui fossero visualizzabili leinterazioni di annichilazione degliantiprotoni alla fine del loro percorso.Peccato che il cubo dovesse essere propriogrande, e pesante, difficile da esporre ai raggicosmici in orbita, od anche solo su pallonistratosferici al top dell’atmosfera terrestre!Ma ero o no noto in Italia ed al CERN per la‘passione’ per i campi magnetici toroidali? Edove meglio utilizzarli se non come unagrande lente magnetica per concentrare suquesto cubo visualizzante gli antiprotoni edeviare i protoni? Nacque così, con GiulioAuriemma e Maurizio Spadoni, il primoschema di progetto di uno spettrometromagnetico complementato da un calorimetrovisualizzante (il cubo di tubi streamer,appunto) da far volare su pallonestratosferico. Mi piace riprodurre in fig.1come ce lo immaginavamo e come fu poiillustrato con uno sketch nella rivista dellaSIF1.

Il seminario di Kiraly capitò proprio nelbel mezzo di un periodo di attività per me giàmolto intenso: era ancora intensa l’attività dianalisi dei dati recentemente raccolti all’SPS,avevo appena avuto un impegnativo incaricodi tipo organizzativo, ed inseguivo condeterminazione una idea di apparato quasi 1 “MASS: uno Spettrometro Spaziale per Materiaed Antimateria”, Il Nuovo Saggiatore, 3*1985*1pag.21

interamente calorimetrico per il costruendoLEP2, idea che fu proprio allora integrata nelprogetto L3.

Figura 1. Primo schema di progetto di unospettrometro magnetico

Per L3 si stava procedendo con numeroseriunioni in USA ed in Europa, fino allaproposta e poi successivamente nellacostruzione dei prototipi. Ma degliantiprotoni e del cubo visualizzante non midimenticai certo.

LA COSTANZA È PREMIATA.

Quando finalmente alcuni anni più tardi aFirenze (dove nel frattempo mi ero spostato)riuscimmo a realizzare e far funzionare iprimi tubi s t r e a m e r in ottone per ilcalorimetro adronico di L3, avevamo in manolo strumento per realizzare il ‘cubovisualizzante’ adatto a rivelare gli antiprotonidei raggi cosmici. Diversi anni più tardi, nel1989, sarà proprio un calorimetro costruito 2 Tra l’altro in polemica con lo studio del grandeapparato ‘dinosauro’ che allora dominava lediscussioni e i workshops.



riutilizzando i tubi streamer di una torreprototipo di L 3 ad essere portato al topdell’atmosfera su un pallone stratosferico erivelare i primi nostri antiprotoni. Maandiamo con ordine.

Siamo ancora nel 1982, con il gruppomagneti dei laboratori di Frascati impegnatonel progetto di una lente magnetica moltoleggera, una bella idea di Spadoni, ottenutaavvolgendo un cavo superconduttore bucatoal centro come un bucatino per l’amatricianae riempito di elio liquido, percorso da tantacorrente ed inguainato in un tubo che lomantenesse isolato nel vuoto. Èl’avvolgimento che si vede in fig. 1. Maancora in quanto ad occasioni dicollaborazione con chi operava pallonistratosferici di grande portata (solo la NASAin quel periodo) e collaboratori per formare lasquadra, niente di concreto.

Stavo procedendo con la realizzazione diprototipi ed i test dei tubi streamer in ottoneper L3, finché nel 1984 a Brookhaven in unariunione della collaborazione L 3 inconcomitanza con una riunione dellacommissione IUPAP, ebbi modo di parlaredella impostazione sperimentale per unapparato per misurare il flusso di antiprotoninei raggi cosmici con un membro dellacommissione I U P A P , Tom Gaisser,un’autorità nel campo dei raggi cosmici.Subito egli telefonò a Jonathan Ormes aWashington, ed il giorno dopo tornai in Italiacon deviazione New York – Washington –New York, ed entrai in un mondo nuovo. Diquesto Ormes divenni presto amico ecollaboratore. Egli aveva disegnato unsistema magnetico per una facility per raggicosmici da collocare a bordo di una StazioneSpaziale a l lora in preparazione.Naturalmente di stazioni spaziali, facility perraggi cosmici, e di tutta la storia che ci stavadietro non sapevo nulla. Nella mezz’ora dicolloquio che ebbi con lui alla Crystall City difronte all’aeroporto National di Washingtonseppi solo declamare le virtù della mia lentemagnetica ‘concentratrice’ e criticare ildisegno ‘anti-Helmotz’ che egli mi fecevedere.

Proprio perché avevo criticato il suodisegno mi ritrovai da lui cooptato nelgruppo di studio che la NASA avevacostituito per studiare una facility per raggicosmici basata su un sistema magnetico conbobine superconduttrici (si chiamava alloraSCMF, ‘Super Conducting Magnetic Facility’,poi ribattezzata ‘Astromag’, ed è con questomeno ostico nome che vi farò riferimento nelseguito). Andai a trovare Luciano Guerriero,

che conoscevo bene ed era allora responsabiledel Piano Spaziale Nazionale. Ne ebbi unpieno, direi entusiastico, supporto, con unendorsement ufficiale e il finanziamento dellapartecipazione al gruppo di studio.

LA ‘FACILITY’ ASTROMAG.

Partecipai ai lavori del gruppo di studioAstromag con assiduità e ciò fu per me unagrande esperienza, non solo di conoscenza diproblematiche di fisica per me nuove, maanche delle persone che se ne occupavano.Agli inizi degli anni 80 c’erano diversi gruppiche conducevano ricerche sui raggi cosmici,una comunità non molto piccola, ma moltoparcellizzata. Si sarebbe facilmente potutopensare ad un fenomeno ‘residuale’ di genteche non era passata a fare esperimenti pressoacceleratori e continuava per inerzia adoccuparsi di tematiche ‘residuali’. Ma non eraaffatto così. Le tematiche di fisica eranofondamental i per l ’astrof is ica , ecoinvolgevano anche le nuove idee dellafisica delle particelle. Pur tuttavia di singolepersone e piccoli gruppi si trattava, benlontano dalla organizzazione in vastecollaborazioni proprie della fisica delle alteenergie, ma già allora operanti anchenell’astrofisica, nell’astronomia e nella fisicasolare.

Per la fisica dei raggi cosmici il gruppo distudio per A s t r o m a g rappresentavaveramente un salto di “qual i tàorganizzativa”, in cui si tentava di mettereinsieme conoscenze e tecniche sperimentaliper costruire una impresa comune di granderespiro e grande ambizione scientifica. Quasitutta l’attività internazionale vi era benrappresentata: i gruppi della NASA e gli altrigruppi nelle altre istituzioni americane, moltieuropei attivi nel campo3 ed il gruppogiapponese di Akira Yamamoto. Io c’erocapitato per caso, ma mi ci trovai subito bene.Portavo avanti un mio disegno per il ‘core’magnetico della facility che, tra i moltidiscussi, fu l’unico che resistette incontrapposizione al disegno ‘anti-Helmotz’ diJonathan Ormes, e che servì a far entrare laindustria italiana nel gioco, con attribuzionead essa della responsabilità della

3 Non c’erano russi, ancora inconcepibile la loropresenza a quel tempo in un campo basatosull’uso di mezzi spaziali (ma ora so che ciòrifletteva anche il calo di attività nel campo deiraggi cosmici in URSS).



realizzazione delle bobine superconduttrici4.La responsabilità della realizzazione dellospettrometro magnetico di Astromag fucondivisa tra me e George Smoot di LBL.

Avevo in mente un duplice disegno‘strategico’: cogliere l’occasione di Astromagper coinvolgere il più possibile l’industriaitaliana nello studio e realizzazione di parti diapparecchiature per lo spazio che potesseroessere alla sua portata, ed aprire per l’INFNun nuovo campo di attività pienamenterispondente ai suoi fini istituzionali ed allasua storia che potesse costituire una validaalternativa ai sempre meno numerosi esempre più affollati e complessi esperimenticon gli acceleratori. Tra l’altro stavoimparando che il progresso delle tecnichesperimentali, dei mezzi di volo e delletematiche stesse della fisica dei raggi cosmiciaprivano una stagione di ‘revival’ del lorostudio, propiziatrice di possibili risultatiimportanti anche per il campo delle particelleelementari . Insomma ero arrivatosull’argomento al momento giusto, tra l’altrocome dipendente di un ente, l’INFN, che già,con la costruzione dei laboratori sotto il GranSasso e la partecipazione ad esperimentiunderground o sulla superficie terrestre, siavviava per quella strada, anche se ancoracon osservazioni molto indirette, alcune dellequali sottoprodotto di altre ricerche, quali lastabilità del protone o la ricerca di monopoli.

Fin dai primi momenti del mio impegnonel gruppo di studio Astromag mi dedicai aconvincere colleghi a seguirmi in questodisegno, cercando anche di creare un inizio diattività sperimentale su cui attrarli edinvestire risorse. L’occasione era a portata dimano: la realizzazione di un calorimetrotracciante molto compatto (e cosa meglio deitubi a streamer in ottone di cui ho dettosopra?) per la ‘New Mexico Balloon Facility’della NASA , che altro poi non era che lospettrometro con magnete superconduttorecon cui Robert Golden aveva a suo temporivelato i primi antiprotoni nei raggi cosmici5. 4 L’ing. Sergio Barabaschi rese disponibilepersonale Ansaldo per il progetto, che partecipòanche alle riunioni del gruppo di studio perAstromag . In seguito i membri dello steeringcommit tee del gruppo di studio visitaronol’Ansaldo con cui misero a punto i dettagli dellarealizzazione delle bobine.5 Robert Golden, della New Mexico StateUniversity, era stato il primo (in contemporaneacon il gruppo russo dell’istituto Joffe diLeningrado) a rivelare antiprotoni nei raggicosmici.

Questo Golden era una persona di unavivacità, cultura e, qui lasciatemelo dire,bontà unica, uno dei membri più autorevolidel gruppo di studio di Astromag. Egli volevacontinuare a misurare con voli su pallonestratosferico la componente di antimateria neiraggi cosmici, e provare nel contempo i nuovitipi di rivelatori che si intendeva usare per gliesperimenti con la facility Astromag a bordodella Stazione Spaziale “Freedom”. In queglianni ai Laboratori Nazionali di Frascatidell’INFN condividevo l’ufficio con GiuseppeBasini: fu il primo entusiasta ‘sostenitore’ delmio approccio, e trascinatore di altri: ilgiovane Marco Ricci, e poi Antonio Codino ePiergiorgio Picozza, mentre insieme si‘irretiva’ anche Guido Barbiellini.

Nacque così un consistente gruppoitaliano, fedelissimo alleato di Robert Goldennella formazione della proposta perl’esperimento che poi chiamammo WIZARDe nella competizione per la sua selezione perAstromag. E nel 1990 WIZARD fu selezionatoper essere istallato per primo lassù in orbita!Troppo bello per credere veramente che ciòstesse per realizzarsi. Già quando loChallenger era esploso quattro anni prima, unprimo brivido aveva percorso e turbato isogni di tutti, i voli degli Shuttle erano statisospesi, la realizzazione della stazioneritardata. Proprio nello stesso periodo eranostati sospesi anche i lanci di pallonistratosferici, in attesa di riuscire a produrrepalloni più affidabili. Tuttavia laprogettazione e lo sviluppo dei prototipi perla stazione spaziale erano proseguiti, e conessi i preparativi per la facility per i raggicosmici che ci doveva ospitare.

LA “FREEDOM”: SI CHIUDE!

La chiusura del programma della StazioneSpaziale “Freedom” avvenne appena un annodopo, nel 1991. Fu improvvisa, uno shock peri molti programmi che vi afferivano. Vienesubito in mente lo shock prodotto sullacomunità dei fisici delle particelle elementaridalla chiusura del programma del SuperSincrotron Collider, l’SSC, in Texas. La ricercasperimentale nel campo delle particelle nerisentì sicuramente, ed il suo sviluppo ne furallentato. Ma nel mondo la fisica delleparticelle aveva altre risorse, in Europa con ilCERN , e poi in molti altri paesi con altremacchine ed iniziative.

Invece per la ricerca sui raggi cosmici pocoo nulla rimaneva al di fuori delle ricerche abordo della Stazione Spaziale “Freedom”, non



si davano alternative. Si doveva ripartiredagli esperimenti su palloni stratosferici conla prospettiva di progredire assai lentamentenelle tematiche di fisica da studiare, in attesadi altre occasioni di volo e pagando il prezzodella dispersione della comunità che si eraformata attorno a tali ricerche. Insomma piùche un rallentamento fu una paralisi quasitotale, da cui solo ora si sta lentamenterecuperando, con quasi 20 anni di ritardo giàaccumulati. Solo una breve sintesi delletematiche di ricerca sui raggi cosmici puòdare la misura di questa paralisi e dei suoieffetti.

OSSERVAZIONE DIRETTA DEIRAGGI COSMICI NELLO SPAZIO: UNSINTETICO SOMMARIO.

È noto l’alto indice dello spettro in energiadel flusso dei raggi cosmici: il flusso integratocala di un fattore tra 50 e 100 per ogni decadedi energia. Quando ci si avvicina ad energiemolto alte, dove si pongono gli interrogativipiù interessanti sull’origine ed accelerazionedei raggi cosmici, il loro flusso è così bassoche non c’è speranza di registrarne nellospazio, si deve aspettare e studiare a terra losciame di particelle che il raggio cosmicoproduce nell’atmosfera. Con apparati a terrache ricoprono centinaia, e ora anche migliaia,di km2, si è giunti a registrare raggi cosmici dienergie sempre più alte, ma se ne ricava benpoco nonostante il numero di fisici e le risorseimpiegate ormai da decine di anni, quasinulla oltre la valutazione del flusso totale.

E poi c’è un’altra difficoltà, la ‘protondominance ’ : 9 raggi cosmici su 10 sonoprotoni, meno di 1 su 10 nuclei di elio, glielettroni e positroni meno dell’1% e solotracce di tutti gli altri nuclei. Proprio questi cipotrebbero dire tanto, ciascuno con la suastoria, come e dove si sono formati, qualeprocesso li ha denudati di tutti gli elettroni elanciati con enorme energia6 nello spazio, 6 Il “bulk” è a poco meno di un GeV/nucleone;dice poco detto così ma bisogna pensare chequando furono scoperti era difficile accettare chedallo spazio arrivassero particelle con energie1000 volte e più superiori alle ‘folli’ energie concui erano emesse le particelle dai nucleiradioattivi, scoperti poco prima, già esse emessead energie 1000 e più volte quelle con cui anchegli elettroni più energetici riuscivano ad essereespulsi dagli atomi o che si riusciva ad accelerarein laboratorio ricorrendo alle più potentiapparecchiature elettriche!

cosa hanno incontrato o come si sonotrasformati durante il lungo viaggioattraverso la galassia. Sono infatti proprio glispettri energetici di tutti i nuclidi ad essereimportanti per l’astrofisica. Ma il gruppocosiddetto CNO (carbonio, azoto ed ossigeno)ha abbondanze del per mille, il gruppo delferro del per diecimila, poi il resto dopo ilferro, potenzialmente ancora più ricco diinformazione sui processi fondamentali diaccelerazione e per i suoi legami con la fisicadelle particelle elementari, va da 10-9 per glielementi dallo Zirconio al Bario fino a menodi 10-11 per gli attinidi.

A S T R O F I S I C A : I G R A N D IOSSERVATORI.

Prima di analizzare l’effetto della chiusuradella SS “ F r e e d o m” sullo sviluppo deiprogrammi per i raggi cosmici, soffermiamociun momento, allargando la visuale su tuttal’osservazione dell’universo.

Dal primo momento che apparatiscientifici poterono essere lanciati fuoridell’atmosfera, l’osservazione astronomica,confinata fin da sempre alla stretta finestradel visibile, e da pochi decenni anche alla‘giovane’ radioastronomia, si allargòincludendo lo studio a tutte le lunghezzed’onda della radiazione elettromagnetica checi arriva dallo spazio, includendo le regionidell’infrarosso, dell’ultravioletto e dei raggi Xe gamma. L’immagine dell’universo ne furivoluzionata, nuove inaspettate domande siposero, e per rispondere ad esse eranecessario provvedere una presenzacontinuativa nello spazio di osservatoriastronomici che potessero ricoprire tutto lospettro elettromagnetico non accessibile daterra. Il nuovo rivoluzionario mezzo di volopianificato dalla NASA, lo Shuttle, avrebbeconsentito un tale ambizioso programma, siaper la sua straordinaria capacità di trasportoin termini di massa e volume, sia per lapresenza a bordo dello stesso mezzo degliastronauti per la manipolazione degli oggettitrasportati. Ed è così che negli anni ‘70 furonopianificati e si cominciarono a realizzare igrandi osservatori: l’Hubble Space Telescope(HST) per il visibile, il Compton Gamma RayObservatory (CGRO) per gli X duri ed igamma, l’Advanced X-ray Astrophysics Facility(AXAF)7 per gli X soft, ed infine, ultimo 7 È la zona di energia dove la rivelazionesperimentale è più difficile e richiede unastrumentazione più complessa e costosa. In



messo in orbita alla fine del 2002, la SpaceInfraRed Telescope Facility (SIRTF) per la partedello spettro elettromagnetico oltre il visibileverso le lunghezze d’onda maggiori.

Il più della radiazione elettromagneticaemerge da processi che producono ancheparticelle energetiche, e i raggi cosmicidivennero una importante componentedell’astrofisica, e quindi del programma deigrandi osservatori. Sono essi infattiall’origine di gran parte dello spettroelettromagnetico, e veri e propri ‘pezzetti’ dilontanissimi corpi celesti che ci arrivano daenormi distanze, seppure ‘smemorati’ dellaposizione della loro sorgente e trasformatiper la loro interazione con gli estesi ed intensicampi elettromagnetici che incontrano, mapur tuttavia preziosi messaggeri per la lorostoria individuale e la loro energia. Su invitodella National Academy of Sciences degli USAla NASA formò un gruppo di studio perintegrare il programma dei grandiosservatori con un programma sistematico distudio dei raggi cosmici. Lo schema di taleprogramma, che doveva ricoprire il decenniodal 1985 al 1995, è riportato in figura 2.

Vale senz’altro la pena esaminare ecommentare alcuni punti importanti di taleprogramma, soffermandoci in particolaresulla facility per i raggi cosmici di alte energiee su altri strumenti previsti a bordo dellaStazione Spaziale “Fre edom”, allora incostruzione.

IL PROGRAMMA USA 1985-1995 PERLO STUDIO DEI RC: C’ERA GIÀTUTTO.

Partiamo dal punto (A) “the majorprograms”, cioè l’explorer per le energie fino apochi GeV e la facility magnetica per lastazione spaziale (Astromag, anche se ancoranon si chiamava così) per le energie più alte.L’explorer, che prese poi il nome di ’AdvancedComposition Explorer’ (ACE) è l’unica parterealizzata del programma, se pur in granderitardo. Finalmente lanciato nell’agosto 1997sta producendo una gran quantità di datipreziosi sui processi di nucleosintesi, diinterazione dei raggi cosmici con il mezzo

ragione di ciò le due funzioni di AXAF,individuare sorgenti e studiarne il loro spettro,furono separate in due osservatori distinti, XMMrealizzato dall’Agenzia Spaziale Europea elanciato nel 1999, e CXO realizzato dalla NASAlanciato anch’esso nel 1999.

interstellare e con il sistema solare stesso perpenetravi ed arrivare fino a noi.

Figura 2. Programma schematico NASA1985-95 per lo studio dei raggi cosmici.

A C E opera assai lontano dalla Terra,dovendo misurare raggi cosmici di energiarelativamente bassa (ma vedi6) e quindioperare ben fuori del disturbo dovuto alcampo magnetico terrestre. Ma un explorerpuò avere una massa totale molto piccola, equindi apparati di piccolissima accettanza, edè quindi confinato a dare dati alle energie piùbasse dove i flussi sono sufficienti per lemisure. Ad energie più alte doveva lavorareAstromag, da collocare necessariamente abordo della Stazione Spaziale sia per la suacomplessità e servibilità sia per permetterel’alternarsi degli esperimenti operati nel suocampo magnetico.

GLI ESPERIMENTI PER ASTROMAG,UN PROGRAMMA LUNGO E RICCO.

Dal lavoro del gruppo di studio perAstromag erano nate diverse proposte,almeno 6 se ben ricordo. Tre di esse eranostate selezionate per la prima fase dellasperimentazione, della durata di 3 anni:- la proposta WIZARD citata sopra per lostudio delle componenti particellari, p, e-,antip ed e+, e per la caccia agli antinuclei;- una proposta (L I S A) per lo studiosistematico degli spettri energetici deglielementi e di una ottantina di nuclidi fino algruppo del ferro, ed



- una terza proposta (SCINATT/MAGIC) perottenere gli spettri energetici degli elementialle più alte energie possibili per capire ilcambiamento di dipendenza del flusso deiraggi cosmici dalla energia nella cosiddetta‘zona del ginocchio’, oltre 1014 eV/nucleo,dove il flusso diviene così tenue che non sipuò ottenere un gran che anche con moltiesperimenti su palloni stratosferici.

Voglio commentare brevemente i campidi ricerca ricoperti da questi esperimenti,confrontando anche con la situazionesperimentale attuale.

WIZARD e lo studio della componente diantimateria.

Per ciò che riguarda la tematica chedoveva essere affrontata da WIZARD , lacollaborazione proponente non si è dispersaed ha effettuato diverse misure su pallonistratosferici del flusso dei positroni e degliantiprotoni, ad energie via via più alte, fino aqualche decina di GeV. Lo strumentoutilizzato era proprio la ‘New Mexico BalloonFacility’ citata sopra, operata da Golden, edequipaggiata con il calorimetro ad immaginedi cui si è già parlato, che era il contributodella componente italiana. Il gruppogiapponese che partecipava allo studio diAstromag ha costruito e fatto volare più voltesu palloni stratosferici uno spettrometromagnetico superconduttore (BESS ), con ilquale ha registrato una grande quantità diantiprotoni a basse energie, sotto la sogliadella loro produzione come prodottisecondari nella interazione dei raggi cosmicicon il mezzo interstellare; inoltre ha portato illimite di esistenza di nuclei di antielio a menodi 10-6 rispetto al flusso di nuclei di elio.

Pur trattandosi di risultati importanti, soloora, 15 anni più tardi, con gli esperimentiattualmente in preparazione PAMELA edAMS, si può affrontare la tematica al livellodella proposta WIZARD originale. La inizialecollaborazione tra N A S A ed A S I perl’esperimento WIZARD era stata impostata suun piano di pari responsabilità, ed avevacoinvolto i colleghi che ho ricordato sopra, emolti altri, per cui attualmente PAMELA èprevalentemente italiana con oltre 50ricercatori italiani coinvolti. Alcuni anni dopol’inizio della realizzazione di PAMELA ungruppo di fisici operanti nel campo dellefisica delle particelle elementari, decise diseguire l’approccio sperimentale di PAMELAe propose uno spettrometro magnetico digrande accettanza, l’“Antimatter MatterSpectrometer” (AMS), da installare sullacostruenda International Space Station (ISS,

nata dalla revisione sia tecnica cheorganizzativa della SS “Freedom”). AncheAMS, proprio in ragione della sua storiainiziale, coinvolge un forte impegno italiano.AMS sarà installato sulla stazione spazialequalche anno dopo l’ inizio dellasperimentazione con PAMELA, e fornirà unagrande statistica date le sue grandidimensioni.

LISA e lo spettro in energia dei nuclidi.Invece poco o nulla è stato fatto e sarà

fatto nel prossimo futuro per gli spettrienergetici degli 80 nuclidi che avrebbedovuto misurare LISA, alcuni dei qualiimportanti ‘sensori’ o perché molto rari, o perla loro instabilità con tempi di decadimentoconfrontabili con i loro tempi di residenzanella galassia. Non si intravedono ancoraimprese sperimentali significative in taledirezione, e per molto tempo ancora i risultatisperimental i verranno solo comesottoprodotto di PAMELA ed AMS . Neglianni ’90 una parte della collaborazione cheaveva proposto LISA affrontò la realizzazionedi uno spettrometro magnetico con bobinesuperconduttrici a grande accettanza,ISOMAX, per proseguire la ricerca in questocampo con voli su pallone stratosferico.Sfortunatamente, dopo un lungo periodo dipreparazione ed un ingente investimento lostrumento è andato distrutto in un incidentein seguito ad una errata manovra di recuperodel carico in uno dei primi voli.

SCINATT/MAGIC e la composizionechimica al ginocchio.

Ed infine un commento anche sullatematica della composizione chimica deiraggi cosmici al cosiddetto ginocchio.SCINATT/MAGIC avrebbe dovuto utilizzarerivelatori passivi, cioè basati suldeterioramento strutturale di materialisensibili, da evidenziare con processi chimiciuna volta che questi materiali fosseroriportati a terra dopo l’esposizione nellospazio. Le tecniche erano state a lungopreparate, specialmente dalla componentegiapponese con esperimenti di fisica delnucleo agli acceleratori, in particolare all’SPSdel CERN. Dopo la chiusura del programmaAstromag, i proponenti di SCINATT/MAGIChanno affrontato questa tematica con unaserie nutrita di voli su pallone stratosfericodell’apparato JACEE. Negli ultimi anni conquesto strumento sono stati effettuati anchevoli di lunga durata, 10 e più giorni, inAntartide. Alla attività di questacollaborazione si è aggiunta quella di una



collaborazione russo-giapponese, che convari voli dell’esperimento R U N J O B dalKanchatka alla regione del Volga,contribuisce anch’essa al lento crescere dellastatistica di eventi di raggi cosmici raccoltialla energia del ginocchio.

Si tratta comunque di una strada troppolunga, e nessun decisivo progresso nellaconoscenza dei meccanismi di accelerazionealle alte ed altissime energie si potrà ottenereper questa via. Ci sono diversi progetti(ACCESS, INCA, NUCLEON) per installare osulla ISS o su satelliti apparati di grandidimensioni per accrescere significativamentela raccolta statistica, ma per il momentonessuno di loro è finanziato dalle agenziespaziali oltre il livello dello studio difattibilità. Si può sperare qualcosa dalpossibile convergere di essi in un unicamissione, ma in ogni caso i primi risultati nonsaranno a tempi brevi. È una problematicafondamentale, ma per almeno 10 anni potràessere appena scalfita. Anche l’enorme sforzosperimentale che si sta facendo nella regionedel ginocchio con molte ben attrezzatematrici di rivelatori a terra (per esempioKASCADE) non promette un gran che data ladifficoltà di estrarre una informazioneaffidabile da misure così indirette.

C’era anche ASTROGAM per i gamma oltreil CGRO.

Voglio anche accennare ad un argomentodi grande attualità, fortemente connesso, siaper ragioni di fisica che strumentali, allamisura diretta dei raggi cosmici nello spazio.Si tratta della estensione delle misure delflusso di gamma di alte energie oltre ladecina di GeV raggiunta dallo strumentoEGRET sul CGRO , l’osservatorio orbitantenominato sopra, per la individuazione dellesorgenti gamma e la misura del loro spettroenergetico.

Un importante e ben concepitoesperimento promosso da Jim Adams per igamma di alta energia, ASTROGAM, nonselezionato per la prima fase dellasperimentazione su Astromag e posposto aduna seconda fase, doveva estendere le misuredel CGRO fino ad energie di alcune centinaiadi GeV. Sono passati oltre 15 anni, e solo traanni ancora un nuovo esperimento susatellite, il ‘Gamma Large Acceptance SpaceTelescope’ (GLAST ) avrà la possibilità diricoprire questa lacuna lasciata dallacancellazione della facility Astromag. C’è darilevare che le tecniche di ‘imaging calorimetry’(il grande cubo di cui parlavo all’inizio)sviluppate negli anni passati per i voli su

pallone e per PAMELA dalla collaborazioneWIZARD hanno permesso ad una gran partedi questa collaborazione di partecipare findall’inizio allo sviluppo del progetto GLAST,per cui la partecipazione italiana a GLAST èora di grande impegno in persone edinvestimenti. E va aggiunto che proprio dallosviluppo di queste tecniche di ‘imaging’ ènata, inizialmente nell’ambito dellacollaborazione WIZARD, la missione AGILE,anello di congiunzione e continuità traEGRET su CGRO e GLAST. È una missionetutta italiana, che messa in orbita quasiequatoriale da un razzo Soyuz, comincerà adare dati fin dall’anno prossimo.

G L I A L T R I ‘ P E Z Z I ’ D E LPROGRAMMA NASA

A bordo della SS Freedom, oltre alla facilityAstromag erano previsti molti altri strumentidedicati alla astronomia, allo studio dellapolvere cosmica ed anche ad altre tematichedello studio dei raggi cosmici. In particolareera previsto uno strumento di grande area,circa 30 m2, tutto ‘passivo’ (e quindi dariportare a terra per lo sviluppo e l’analisi), lo“Heavy Nuclei Collector” (HNC). La grandearea e il lungo tempo di esposizione eranoconcepiti per assicurare la rivelazione dialmeno un centinaio di nuclei del gruppodegli attinidi, che come abbiamo visto soprahanno flussi inferiori a 10-11 del flusso deiprotoni. Infatti i nuclei oltre il gruppo delferro non possono essere formati con processidi nucleosintesi nel nucleo delle stelle. Essipossono essere prodotti in stelle di grandemassa o con processi cosiddetti lenti, gli ‘s-processes’, tramite la ‘neutronizzazione’ dellamateria per accumulo di nuclei sovraccarichidi neutroni ed il loro successivo decadimentobeta, o da processi rapidi, gli ‘r-processes’, ineventi astrofisici violenti, quali lesupernovae. Particolarmente importante è lamisura dell’abbondanza dei nuclei delgruppo degli attinidi a causa della loroinstabilità e la lunga vita media, chepermettono la misura di diversi parametridella galassia (quali la sua età e la frequenzadelle supernovae), e la ricerca di elementisuperpesanti.

Gli “Heavy Nuclei Collector” ed “eXplorer”per andare oltre il ferro.

Si tratta di informazioni di primariaimportanza per l’astrofisica, ed in particolareper la valutazione della quantità totale diraggi cosmici che risiedono nella galassia, ed



ancora oggi esse mancano. Questa tematicacompariva anch’essa nel programmadecennale 1985-1995 elaborato dalla NASA.Al quarto punto della voce C) (vedi fig. 2) eraprevisto di mettere in orbita con un voloShuttle un secondo esperimento del tipo diquello (UHERE) fatto volare anni prima abordo della Long Duration Exposure Facility(LDEF), da recuperare dopo alcuni anni conun secondo volo Shuttle. Il disastro delloChallenger consigliò di spostare il programmaHNC sulla SS “Freedom”. Ora, dopo quasi duedecenni, si è ritornati all’idea iniziale, e si stastudiando un esperimento di grande area(ECCO, 23 m2) portato in orbita con un voloShuttle, aperto ed esposto per molti anni nellospazio, e poi richiuso e riportato a terra per losviluppo e l’analisi. Nello stesso veicolospaziale che lo porterà in orbita, il “HeavyNuclei Explorer” (HNX), un altro strumento,ENTICE , basato su tecniche elettroniche,studierà gli elementi tra il gruppo del ferroed il gruppo degli attinidi. Una dellecaratteristiche dell’esperimento E C C O è illungo tempo necessario ad estrarrel’informazione dopo l’esposizione in orbita,nonostante i molti progressi nei materialisensibili e nelle tecniche di sviluppo edanalisi. Il gruppo proponente è relativamentepiccolo, seppure ben attrezzato e con lungaesperienza, per cui necessita collaborazioneda parte di altre istituzioni. In Italia, inseguito agli esperimenti con emulsioni fatti alCERN per i neutrini e all’esperimento Operain preparazione per i Laboratori del GranSasso, esistono in molte sedi preparazione edattrezzature, per cui se l’esperimento ECCOandrà avanti è da prevedere unapartecipazione a questo tipo di fisica. È danotare che già negli anni ’90 unacollaborazione tra Bologna e Firenze, facentecapo a Stefano Cecchini e Alfredo Cecchi,propose il Medium Nuclei Analyser (MNA) perla misura sia su pallone che su piattaforma inorbita polare dei nuclei più pesanti del ferro,e fu finanziata dall’ASI e dall’INFN per losviluppo delle tecniche passive adatte e illoro test su fascio al CERN.

I “Fly’s Eyes”.C’è un altro punto non ancora realizzato

che compare nel programma NASA per il1985-1995, cui è importante far cenno.

È interessante notare che per il costo erischio della Extra Vehicular Activity degliastronauti (EVA), in particolare dopo ildisastro dello Challenger, è estremamentedifficile e costoso pianificare esperimenti cheprevedano l’assemblaggio di strutture nello

spazio. Questo del resto si è riflesso anchenella stessa concezione della attuale ISS (cheè portata in orbita a pezzi già assemblati aterra, a differenza della SS “Freedom”, che eraprevista essere assemblata in gran partedirettamente nella spazio).

Non sfugge certamente all’attenzione dichi si occupa di raggi cosmici che al primopunto della voce E) del programma NASAper il 1985-1995 (vedi ancora fig. 2) siprevedeva già allora di utilizzare la tecnica“Fly’s Eye” per osservare dallo spazio glisciami di particelle prodotti nell’atmosferadai raggi cosmici di energia estrema, cioè diraggi cosmici con energie 106 volte quelletipiche al ginocchio e ben 1011 volte quelletipiche al massimo del flusso dei raggicosmici galattici. Solo ora si lavora arecuperare questo punto del programma, conil progetto EUSO ed altre proposte (TUS,KLYPVE, OWL) e speranze (G O D S ). Fapiacere che l’impresa che attualmente si trovaallo stadio più avanzato di studio edinvestimento, lo “Extreme Universe SpaceObservatory” (EUSO) sia nata dalla iniziativadi Livio Scarsi e del suo gruppo di Palermo, edel suo amico John Linsley (una autorevolefigura di Albuquerque, colui che più di tuttiaveva sostenuto l’opportunità di ricorrerealla tecnica “Fly’s Eye” dall’orbita per i raggicosmici di estrema energia).

Nata come una iniziativa italiana con ilcoinvolgimento di molte istituzioni e sedi,EUSO si è sviluppata fino a divenire unaimpresa internazionale, promossa ora dallaAgenzia Spaziale Europea ESA . Se EUSOpasserà tutte le selezioni previste e saràfinanziato dalle molte agenzie implicate(ESA, NASA, NASDA, e molte agenzienazionali, ed in Italia anche l’INFN) potràessere installato sulla ISS già alla fine diquesta decade, e quindi dare i primi risultatidi fisica tra una decina di anni. Se ne parloqui pur trattandosi di una rivelazione nondiretta dei raggi cosmici è perché lo sciameatmosferico prodotto da un raggio cosmico dioltre 1019eV produce tanta luce difluorescenza da poterlo rivelare e poternemisurare il profilo di sviluppo, e lainformazione che se ne può ricavare è benpiù ricca del solo spettro energetico globale.Inoltre la possibilità di tenere sottoosservazione da strumenti in orbita volumi diatmosfera insistenti su aree di milioni di km2

di superficie terrestre8 comporta l’uso di 8 Qui mi piace compiacermi (!!) per la miapersonale insistenza fin d’allora nel proporla perl’istallazione sulla ISS (vedi 25-th ICRC, Durban



mezzi di volo come per la osservazionediretta dei raggi cosmici, ed è moltopromettente per possibili sviluppi futuri.

La stessa fisica proposta da EUSO sarà nelfrattempo affrontata con istallazioni a terraricoprenti molte migliaia di km2 dal progettoAUGER (con le tecniche di osservazione conFly’s Eyes possibili a così alte energie anchegli esperimenti a terra possono fornire unainformazione più ricca del semplice spettroglobale in energia, unico limite essendo laestensione della superficie equipaggiata, equindi la massa di aria nella quale i raggicosmici di energie estreme possono produrresciami). Nel frattempo un esperimento inorbita di piccole dimensioni, TUS, dovrebbeoperare a bordo del satellite RESURS-DK1-n.2 per alcuni anni, accumulando alle energieestreme una statistica di eventi circa uguale aquella di A U G E R. T U S è supportatoessenzialmente da istituzioni russe e dailaboratori internazionali di Dubna (il CERNdei paesi orientali), con la partecipazione dipiccoli gruppi di altri paesi, ed è previstoraccogliere dati a partire dal 2007.

È ORA DI RIASSUMERE.

Tra storie, anche personali, e sigle diesperimenti diversi, il lettore che sia arrivatofin qui rischia di rimanere confuso. Serve unoschema di riferimento.

Coerentemente con la trattazione fattasopra, le tematiche più importanti nellostudio dei raggi cosmici possono essereschematizzate in cinque punti, elencati qui diseguito in funzione crescente della zona dienergia che si può esplorare:1. studio del gruppo degli attinidi,naturalmente possibile solo sulla gran massadei raggi cosmici, e cioè intorno alGeV/nucleone;2. spettri dei singoli nuclidi fino ad energie dialcune decine di GeV/nucleone;3. studio della componente antiparticellare ericerca di antinuclei, fino ad almeno alcunecentinaia di GeV/nucleone;4. studio della composizione chimica infunzione dell’energia spinta fino ad alcunecentinaia di TeV/nucleone;5. studio dei raggi cosmici ultraenergetici, finoltre 1020eV/particella.

I punti da 1 a 4 possono essere studiatisolo ‘acchiappando’ la particella che ci arrivadallo spazio prima della sua interazione con 1997, vol.5, p.385), come ora sta effettivamenteavvenendo per la missione EUSO.

l’atmosfera, e quindi il loro studio coinvolgel’uso di mezzi spaziali. L’evoluzione di questistudi è perciò strettamente connessa con laevoluzione e utilizzazione di questi mezzi, ela storia della SS “Freedom” e del programmaNASA per i raggi cosmici sopra delineata staa dimostrarlo.

Per il punto 5 la rivelazione del raggiocosmico è indiretta, studiando lecaratteristiche dello sciame di particelle cheesso produce nell’atmosfera. Può essere fattaa terra, ma il vantaggio di riuscire a condurladallo spazio è così promettente che anche losviluppo di questo punto viene ad esserestrettamente connesso alla evoluzione edutilizzazione di mezzi spaziali.

LA SCOPERTA DEL PASSATO.

Dice Giorgio Salvini nel suo discorso inoccasione della cerimonia inaugurale per lecelebrazioni del cinquantenario dell’IstitutoNazionale di Fisica Nucleare9:

“L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, delquale parlo, rappresenta la nostra volontà diripresa per partecipare in modo concreto allaaspirazione Europea, anzi mondiale, di accrescereil patrimonio scientifico del nostro Pianeta,....

Inizierò un po’ alla lontana, da Enrico Fermi eda Bruno Rossi nei primi anni trenta del secoloappena trascorso.

Fermi [....] creò dal nulla la scuola di Fisica delNucleo Atomico con i suoi indimenticabilicompagni ed allievi [....].

Bruno Rossi, anch’egli ancor giovanissimo,apre la ricerca nel campo dei raggi cosmici,guidando il “gruppo di Arcetri” [....].

Obiettivo di queste due scuole, di Firenze e diRoma, era chiaramente lo studio degli atomi, delnucleo e delle nuove radiazioni. La fisica dei raggicosmici sembrava felicemente avviata.”

Edoardo Amaldi riferisce della riunionedel consiglio della Società Italiana di Fisica(SIF) del novembre 1945, allargato a vari fisiciinteressati ai problemi generali:

“La riunione fu straordinariamenteimportante. [.....] Molti erano sfiduciati,soprattutto i colleghi dell’Italia settentrionale cheerano stati in condizioni di guerra ed occupazionetedesca fino a pochi mesi prima. In quellaoccasione io mi mostrai piuttosto ottimista esostenni che potevamo recuperare una posizionedecente in campo internazionale a condizione diimpegnarci molto fortemente e solo in un ristrettonumero di settori della ricerca. Sostenni che a mio 9 L’intervento di Giorgio Salvini è riportato anchea pag.5 del n.3, anno 2002, di Analysis.



avviso il più promettente era costituito dai raggicosmici, campo in cui il paese aveva ormai unalunga tradizione e in cui non ci trovavamosvantaggiati rispetto ad altri per quello cheriguardava la sorgente.”

E fu così che poco dopo, grazie allaindefessa a t t iv i tà d i questuant isistematicamente svolta da Amaldi e daglialtri fisici italiani, fu possibile realizzare illaboratorio per i raggi cosmici della TestaGrigia. Scrivono Battimelli, de Maria ePaoloni nello speciale di questa rivistadedicato all’INFN10: “La Testa Grigia divenneun punto di incontro tra i fisici di varie sediuniversitarie, tra i quali si stabilirono forti legamipersonali e scientifici che costituirono uno degliingredienti della nascita e dello sviluppidell’INFN.”

Perché tutte queste citazioni? Perché perme la storia precedente al mio lavoro è statauna scoperta fatta poco a poconell’immergermi in un campo di attività, cheall’inizio consideravo ‘nuovo’ perché lo stavoappena scoprendo, ed invece mi rendevoconto che affondava le sue radici moltolontano. Specie per me, che se pure del‘contado’ toscano avevo studiato a Roma, edavevo sviluppato tutta la mia attivitàscientifica prima nel CNEN e poi nell’INFN aFrascati, con Firenze visto da quellaprospettiva come una sede ‘marginale’ nellafisica e nella sua storia, fu una sorpresascoprire che spostandomi a Firenze mi eroportato su una delle due colonne storiche cuiera dovuta la eccellenza della fisica nucleare esubnucleare italiana, e per giunta incoincidenza con il mio impegno crescentenella fisica dei raggi cosmici, che di Firenzeera la gloria storica.

LA VISIONE DEL FUTURO...

Il futuro vicino della ricerca nel campo deiraggi cosmici è abbastanza ben delineato, ecredo bastino gli accenni fatti sopra parlandodelle varie tematiche di fisica da ‘recuperare’dopo la stasi degli anni ’80 per farseneun’idea.

Esiste un futuro ‘lontano’, una visione alunga scadenza per lo studio di questetematiche? Io credo di sì. Non voglio parlaredi ‘sogni’, vere e proprie fantasie, comeesperimenti su basi lunari, enormi apparati insilenziosa attività nello spazio tali darichiedere un improbabile progresso tecniconello sviluppo dei sistemi di volo ed una 10 Analysis, n.3 anno 2002, pag.17.

ancora più improbabile concentrazione dirisorse. Voglio essere ‘un visionariomoderato’ a media scadenza, diciamo circaventi anni.

Per chiarezza mi rifaccio allo schema incinque punti tracciato più su.

1 Attinidi. Della possibile partecipazionead ECCO (o ad altra simile impresa cheavesse a svilupparsi) ho parlato sopra.Aggiungo solo una frase: ne hanno bisogno iproponenti, molte nostre sedi hannoattrezzature adatte ed esperienza, perché nonutilizzarle? I risultati ottenuti con ECCO ciindicheranno se procedere oltre ed in qualedirezione.

2 Spettri dei nuclidi. I risultati comesottoprodotto di esperimenti dedicati ad altretematiche non sono in grado di chiudere ildiscorso. Sarà difficile concentrare persone erisorse per arrivare ad un esperimento dellaclasse del progetto LISA, manca la strutturamagnetica a cui attaccarlo, e ritengo ancheche manchino le condizioni per pianificarneuna di caratteristiche equivalenti adAstromag11. C’è tuttavia la possibilità di fareun lavoro ‘a pezzi’, con esperimenti supallone e se possibile su satellite, dedicati asingoli nuclidi o gruppi di nuclidi. La ragionefondamentale è che la quantità e qualità deirisultati è legata solo in parte all’accettanza, equindi alla massa dello strumento, mapiuttosto alla qualità dei rivelatori, essendo laprestazione dello strumento basataessenzialmente sulla sua risoluzione inimpulso e sulla sua risoluzione in massa, perle quali i rivelatori mutuati dalla ricercaparticellare agli acceleratori continuano adevolversi.

3 Antiparticelle e caccia agli antinuclei.Se i tre esperimenti che effettueranno misurein questo campo, B E S S su pallone inAntartide, PAMELA su satellite ed AMS sullaISS, non otterranno indizi né di nuova fisicané della esistenza di antinuclei, non vale lapena di inseguire questo canale con strumentipiù grandi, sarebbe un enorme sforzo conpoco ed incerto guadagno. Se si troveràqualche indizio sarà la sua consistenza e la 11 In occasione della conferenza internazionale suiraggi cosmici di Durban del 1997 fu organizzatoun workshop a questo scopo. I fisici dei raggicosmici vi parteciparono nella loro totalità ma poinon si riuscì a concretizzare nulla sia per i moltiimpegni ormai divergenti dei membri dellacomunità sia per la presenza di un elementoesterno alla comunità, AMS, seppure assente (maforse proprio perché assente) sia al Workshop chealla conferenza.



sua natura ad indicare in quale direzioneprocedere. Infatti se si trovasse qualcheantinucleo sarà senz’altro fondamentalestudiare la possibilità di misurare questanuova componente con apparati diaccettanza ben più grande di AMS,eventualmente con lenti magnetichedispiegate in orbita12 ed equipaggiate construmentazione di nuovo tipo. Se siscoprissero invece deviazioni dai flussiprevisti per positroni e/o antiprotoni sidovrà sì aumentare l’accettanza, masoprattutto l’intervallo di energie esplorabile,aumentare cioè quello che i fisici dei raggicosmici chiamano il massimo momentorivelabile. È forse questo il solo caso in cuitornerebbe di attualità la necessità di studiareun nuovo ‘Astromag’, fosse esso per la ISS oper qualche nuovo veicolo che apparisse nelfrattempo.

4 Composizione chimica al ginocchio.Come sopra accennato la prima cosa da fare èfar decollare una delle iniziative in studio.Quella che ha più possibilità per il prossimofuturo è ACCESS , ma una unificazione diquesto programma con quelli proposti dairussi ne aumenterebbe la probabilità direalizzazione, specialmente per la reperibilitàdei mezzi di volo, dei quali la NASA nonabbonda.

5 Ultra alte energie. È probabile che perinvestire in modo sostanziale sullarealizzazione dell’osservatorio dallo spazioEUSO le agenzie attendano che l’esperimentoa terra AUGER abbia dato i primi risultati. Èuna questione di fisica rilevante: non è ancorasicuro che lo spettro dei raggi cosmicicontinui al di là dei 1020eV ed A U G E Rdovrebbe dare questa risposta in un temporelativamente breve, due o tre anni.Supponiamo per un momento che lo spettrodei raggi cosmici non arrivi oltre tale energia.Infatti i protoni ultraenergetici dovrebberoarrivare a noi degradati in energia a causadella loro interazione con i fotoni del fondocosmico a microonde, con i qualiinteragiscono per fotoprodurre pioni.Dovrebbe la linea che intende aprire EUSOfermarsi? Sicuramente no, ed EUSO stessonon lo dovrebbe! Infatti i protoni ultra-energetici cedono energia producendo pioniche decadendo producono muoni, ed infineneutrini, molti neutrini essendo molte leinterazioni di questi protoni con i fotoni delfondo cosmico, e tutti di energie elevatissime, 12 G.Basini et al., “Toroidal coil configurations for alarge acceptance space spectrometer”, Il NuovoCimento, 9c (1986) 953.

oltre 1018eV. Inoltre a queste energie il fiottodi neutrini prodotti da uno stesso protonedovrebbe essere estremamente collimato epermettere di individuare la sorgente delprotone ultraenergetico.

È una vera e propria astronomia deifenomeni più violenti nell’universo che siaprirebbe; per non parlare poi dellapossibilità ancora più allettante per i fisicidelle particelle elementari che queste sorgentinon esistano e i protoni ultraenergetici sianoprodotti di decadimento delle particelleprimordiali di grandissima massa, previsteda alcune teorie di grande unificazione delleparticelle elementari. L’esperimento EUSO,con le molte limitazioni imposte da variecondizioni strumentali ed economiche, vedràsolo un piccolo numero di tali neutriniultraenergetici. Ma dotandolo di una otticadispiegabile, un sistema di grandi ma nonenormi dimensioni, la sua soglia energeticapotrebbe essere abbassata di almeno unordine di grandezza, il che porterebbe adalcune decine l’anno il numero di neutriniregistrati. Non è stato finora possibileproporre una soluzione di questo tiposoprattutto a causa del costo che comporta lagaranzia che la ISS richiede che quantodispiegato a bordo possa dopo il suo usoessere richiuso. Se poi si concepisce uninsieme di alcuni rivelatori EUSO-like13 lamassa di atmosfera osservabile dalla ISSaumenterebbe di almeno un ordine digrandezza, ed i neutrini rivelabili sarebberoalcune centinaia all’anno. Neutrini ‘sicuri’,che devono esserci, perché la fotoproduzioneè un fenomeno noto da tempo e ben studiato!

Già, i neutrini!Sono raggi cosmici a tutti gli effetti.

Vengono dal cosmo, sono particelle, sonorivelabili, sono appropriati per l’osservazioneastronomica in quanto puntano alla sorgentenon essendo deviat i da campi 13 J.Linsley et al., “Space Air Watch: Observation ofthe Earth Atmosphere from ISSA Space Station”, 25-th ICRC, Durban, August 1997, proc.vol.5,pag.385. - O.Catalano et al., “GODS for EUSO; AGrand Observatory Deployed from the Space Stationfor the Extreme Universe Space Observatory” ,International workshop on ‘Space Factory onInternational Space Station’, Tsukuba Space Centerof NASDA, June 1999, proc. Pag.7. - S.Bottai andP.Spillantini, “From the Extreme Universe SpaceObservatory (EUSO) to the Extreme Energy NeutrinoObservatory”, proceedings of the “10-th LomonosovConference on Elementary Particle Physics”, MoscowAugust 2001, pag.45.



elettromagnetici, né sono assorbiti da corpicelesti, e tanto meno dal materialeinterstellare ed intergalattico. Certo alcunidecenni fa sarebbe stato improprio parlare diessi come ‘raggi cosmici’. Si rivelavano quelliche ci arrivano dal Sole, e quindi il lorostudio riguardava lo studio dei modellistellari, cioè delle reazioni che li producononel Sole e nelle stelle, e l’eventualecambiamento del loro ‘sapore’ nel loroviaggio fino alla Terra, e quindi lo studiodelle loro proprietà come particelle. Lasperanza di utilizzarli come sondeastronomiche, cioè come raggi cosmici, hadovuto fare i conti con l’enorme fondo deineutrini prodotti dai raggi cosmicinell’atmosfera. Di questo fondo ci si liberasolo ad energie enormemente alte, e ci si deveaccontentare di poter rivelare quei neutriniche sono in grado di attraversare tutta laTerra e investono gli apparati dal di sotto,perché se sono troppo energetici la Terra liassorbe e non arrivano. Proprio dal fondo deineutrini non cosmici, atmosferici o prodottida centrali nucleari a fissione, sono statiottenuti i risultati più importanti riguardantile loro proprietà. Certo ora che sappiamo chehanno massa e che il loro sapore oscilla tradue e forse tre ‘combinazioni’ siamo venuti aconoscenza di proprietà fondamentali dellafisica delle particelle elementari, ed anche arestringere il campo delle ipotesi concernenti

la cosiddetta ‘materia oscura’ dell’universo.Tuttavia una astronomia fatta a terra conquesti elusivi messaggeri è ancora di là davenire, nonostante gli ingenti investimentiper i grandi esperimenti in funzione ocostruzione, tanto che viene da domandarsi,“ma ne vale la pena?”. O non è piuttosto beneindirizzarsi verso la rivelazione dei neutriniultraenergetici, che sicuramente ed in grannumero arrivano sulla Terra, hanno sezionid’urto di interazione più alte, segnaturecaratteristiche, e possono essere rivelati senzail fondo dovuto ad altri processi?

Basta pensare agli sforzi organizzativi, dipersone e di mezzi che si stanno facendo pervedere (o forse è meglio dire per il momento‘non’ riuscire a vedere) i neutrini di originegalattica in osservatori sotto terra, sott’acquao sotto il ghiaccio, per domandarsi se nonvalga la pena di rallentare in questa corsa dipoche speranze e puntare invece ad unosservatorio orbitante per neutriniultraenergetici, che sicuramente arrivanosulla Terra, hanno sezioni d’urto diinterazione relativamente alte, e che letecniche attuali già possono rivelare consegnature caratteristiche e senza il fondodovuto a processi concorrenti.

Ora qui la visione rischia di sconfinarenella fantasia e mi fermo, alle soglie delsogno.

PIERO SPILLANTINILaureatosi in fisica nel 1964 all’Università ‘La Sapienza’ di Roma, ha svolto la sua attività di ricerca presso iLaboratori nazionali di Frascati fino al 1988, per poi spostarsi a Firenze, prima come dipendente INFN e poidal 1991 come ordinario di Fisica. A Frascati ha lavorato in diversi esperimenti all’elettrosincrotrone edall’anello di accumulazione Adone. Ha poi partecipato ad esperimenti all’ISR, all’SPS ed al LEP del CERN.L’interesse per la fisica dei raggi cosmici è iniziato nel 1979 e si è poi sviluppato progressivamente perdivenire il suo campo principale di ricerca negli anni ’90. Attualmente è impegnato in diverse esperimentidei raggi cosmici,ed in particolare nella preparazione di strumenti per satellite (PAMELA) e per la stazionespaziale internazionale (EUSO).Contatti:Università Firenze, Dip.Fisica Via Sansone 1 50019 Sesto Fiorentino FITel. 055.4572261 Email [email protected]

I RAGGI COSMICI: IERI, OGGI, DOMANI di Piero Spillantini · fondamentali per l’astrofisica, e...

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