I signori dei raggi cosmici - Luisa Bonolis Homepage ictor Hess si prepara a una ascensione in...

I signori dei raggi cosmiciDai laboratori terrestri alla fisica nello spazio

Luisa Bonolis

Figure e storie della fisica del NovecentoA.I.F. Scuola di Storia della Fisica 2010

Aosta, 29 novembre - 4 dicembre

www.luisabonolis.it

Bruno Rossi1905-1993

Giuseppe Occhialini1907-1993

martedì 28 dicembre 2010

http://www.luisabonolis.it

http://www.luisabonolis.it

1 particle/km2/century

LHC

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Catalizzano le mutazioni negli organismi viventi

Energie estreme da ~ 100 MeV

a (almeno) 1 ZeV (1021eV)

Particelle provenienti dalla galassia e dal resto dell’Universo

• 85% protoni

• 14% particelle alfa

• 1% nuclei pesanti

• + elettroni, positroni, neutrini, raggi !

Viaggiano a velocità relativistiche


Victor Hess si prepara a una ascensione in pallone. 7 agosto 1912.

Werner Kolhörster:“Una radiazione di origine cosmica, molto più penetrante che i raggi gamma di energia più alta.”

“Secondo la fisica moderna un alto potere di penetrazione significa semplicemente un’ala frequenza, ossia una corta lunghezza d’onda.”

Robert Millikan, 1926

Erich Regener

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0L’inizio

G. Elster, H.F. Geitel, C.T.R. Wilson, T. Wulf, A. Gockel

Variazione con l!altitudine Hess e Kolhörster

Una radiazione penetrante

Cosmic R

ays


LA TORRE EIFFELE LA SCIENZA

3.5 IONI/CM3

300 METRI: FLUSSO/15⇒ Flusso atteso 0.4 IONI/CM3

80 METRI: FLUSSO/2

FLUSSO A TERRA6 IONI/CM3

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“Questi studi rivelano che non ci sono possibili trasformazioni capaci di produrre raggi dall’enorme potere di penetrazione... eccetto quelli che corrispondono alla formazione o creazione di elementi abbondanti come l’elio, l’ossigeno, il silicio e il ferro a partire dall’idrogeno, o dall’elio, come nel caso degli ultimi due elementi. . .“Questo lavoro nel suo insieme rappresenta, quindi, l’evidenza molto forte che quel tipo di processi creativi, o di formazione di atomi sopra discussi sono continuamente in atto intorno a noi, forse perfino sulla terra, e che ciascuno di tali eventi viene trasmesso attraverso i cieli sotto forma di un appropriato raggio cosmico.”

R. Millikan, 1928

Il vagito degli atomi neonatiL

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e#

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!(mc2)=h"

Negli anni !20 elettroni e idrogeno ionizzato rappresentavano le uniche particelle elementari note


Lo studio dei raggi cosmici diventa una branca della fisicaParticelle cariche o raggi gamma?

Walther Bothe e Werner Kolhörster

Il contatore Geiger-Müller (1928). Una nuova “finestra tecnologica”

Arcetri. Bruno Rossi e il primo circuito a coincidenze multiple (Febbraio 1930)

Das Wesen der Höhenstrahlung

Walther Bothe and Werner Kolhörster

(Novembre 1929)

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0 Giuseppe OcchialiniIl gruppo di Arcetri

Inizio sperimentazione elettronicamartedì 28 dicembre 2010

Bruno Rossi pioniere della fisica dei raggi cosmici

Enrico Fermi e Bruno Rossi (1931)Rossi a Berlino da Bothe (Estate 1930)

Rossi con Millikan e Arthur Compton (Roma, 1931)

Compton fu molto colpito dalla relazione di Rossi e fu stimolato ad avviare una vasta campagna per lo studio dei raggi cosmici

Il Convegno di fisica nucleare (Roma, 1931)

Rossi e Geiger, 1930

Franco Rasetti: “... tutte le nostre conoscenze sui Geiger venivano da Rossi...”

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Studio della natura dei raggi cosmiciIndividuazione di due componenti

16 dicembre 1931 - B. Rossi, Absorptionsmessungen der durchdringenden Korpuskularstrahlung in einem Meter Blei (Naturwissenschaften 20, 1932)

13 febbraio 1932 - B. Rossi, Nachweis einer Sekundärstrahlung der durchdringenden Korpuskularstrahlung (Physikalische Zeitschrift XXXIII, 1932)

1° maggio 1932 - B. Rossi, Sugli effetti secondari della radiazione corpuscolare penetrante (Accademia dei Lincei, Rendiconti XV, 1932)

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Raggi cosmici e produzione di particelle nell’atmosfera

Dimitri Skobeltzyn

Giuseppe Occhialini e Patrick Blackett

La camera a nebbia comandata da un circuito alla Rossi conferma l!esistenza degli sciami e fornisce una solida base sperimentale alla teoria di Dirac

Carl Anderson

e il positrone (1932)

D. Skobezyn, “Über eine neue Art sehr schneller "-Strahlen”, Zeitschrift für Physik 54, 1929, 686-702 (1929) (Su un nuovo tipo di raggi beta molto veloci)

Abstract: “Questi raggi beta sono da interpretare come raggi ultra gamma di Hess che emettono elettroni secondari...”

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Effetti geomagneticiEffetto di latitudine e effetto Est-Ovest

Rossi e Sergio De Benedetti in Eritrea (1933)Primo indizio dell!esistenza dei grandi sciami atmosferici

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• Rossi prevede l!effetto Est-Ovest (1930)• Conferma sperimentale nel 1933 da T.H. Johnson, A. Compton e L. Alvarez, B. Rossi e S. De Benedetti: particelle di carica positiva

Camera a ionizzazione molto perfezionata


Effetto di latitudine

Poiché più raggi cosmici si muovono perpendicolarmente al campo magnetico terrestre all’altezza dell’equatore magnetico, il numero di particelle che

penetra nel campo diminuisce in questa regione. Inoltre i raggi che raggiungono la superficie terrestre sono più penetranti e quindi la variazione

del potere penetrante con l’altitudine è più marcata per le alte latitudini.

Effetto Est-Ovest

La distribuzione asimmetrica dell’intensità rispetto al piano contenente il meridiano magnetico, è maggiore da Ovest o da Est a seconda della carica delle particelle (positiva o negativa). L’asimmetria aumenta a basse latitudini

perché la componente orizzontale del campo terrestre è maggiore.


Violenta polemica tra Millikan e Compton

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$Esistenza effetti geomagnetici

$I Raggi cosmici sono prevalentemente particelle cariche, in prevalenza positive

$Millikan ha tortomartedì 28 dicembre 2010

R. Oppenheimer e J. CarlsonW. Heitler e H. Bhabha

La cascata elettrofotonica e il mesotrone dei raggi cosmici

“... o le stime teoriche della probabilità per questi processi sono inapplicabili nel dominio delle energie dei raggi cosmici, o l’effettiva penetrazione di questi raggi deve essere attribuita alla presenza di una componente diversa dagli elettoni o dai fotoni.” (R.O. & J.C., Feb. 1937)

C. Anderson e S. Neddermeyer: “... esistono particelle di carica unitaria ma con una massa più grande di quella di un normale elettrone libero e molto più piccola di quella del protone.” (Maggio 1937)

Bruno e Nora lasciano l’Italia per Copenghagen (da Bohr) nell’ottobre del 1938. Dopo qualche mese a Manchester da Blackett arrivano a New York il 12 giugno del 1939.

“...il rapido saluto al ‘mio’ Giotto nella Cappella degli Scrovegni e la rabbia che provavo verso Bruno, che non voleva lasciare il ‘suo’ laboratorio che non era più suo. Per lui era come un cordone ombelicale che non voleva recidere.”

Nora Rossi

Fermi e la sua famiglia, all’arrivo a New York il 2 gennaio 1939.

Nuovo Mondo

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Cosmic Ray Symposium Chicago, luglio 1939


Rossi e il decadimento del mesotrone! Prima prova sperimentale non ambigua del decadimento del mesotrone

! Dimostrazione della dilatazione relativistica dei tempi per il mesotrone in volo

! Prima misurazione precisa (sorprendentemente vicina a quella attuale) della vita media del mesotrone a riposo: (2.3±0.2)!10"6 s.

Proof of

“Era ancora un’epoca in cui risultati fondamentali per la fisica delle particelle elementari potevano

essere ottenuti per mezzo di esperimenti straordinariamente semplici, che costavano poche migliaia di

dollari e che richiedevano soltanto l’aiuto di uno o due giovani laureati...”

Bruno Rossi (Momenti nella vita di uno scienziato)

Mesotrone, 1936-1937: particella di Yukawa?.......

Fisica delle particelle nell’ “età dell’innocenza”1939-1943

Tardi anni ’30: M. Schein mostra che i primari non sono elettroni

1938: P.V. Auger, R. Maze, Roland Maze

e Thérèse Grivet-Meyer “riscoprono” gli sciami atmosferici (EAS)

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“... Alla fine, essendomi rassegnato al fatto che né accettando né rifiutando la richiesta di Los Alamos sarei sfuggito a una grave responsabilità, decisi che la mia scelta non poteva essere basata su niente altro che non fosse la necessità di combattere il pericolo immediato......Speravo che il nostro lavoro avrebbe dimostrato che la bomba a fissione non era fattibile...”

B. Rossi

Fermi era con me, e guardavamo ansiosamente il film che veniva sviluppato. Finalmente apparve una traccia, dalla forma sinusoidale come previsto, molto debole, ma perfettamente visibile... Ancora prima che la pellicola si asciugasse fu possibile calcolare con alta precisione il tasso iniziale di crescita dell’attività nucleare.

Fermi, Bethe, Staub, Weisskopf, Rossi

Registrazione fotografica delle tracce di uno dei quattro oscillografi, ottenute nell’ambito dell’esperimento RaLa l‘8 giugno 1945. La rapida diminuzione iniziale dell’intensità dei raggi gamma è dovuta alla compressione della sfera di cadmio.

Esperimento AlphaRegistrazione fotografica della

debole traccia da cui fu possibile misurare il tasso di crescita

esponenziale dell’attività nucleare della bomba esplosa nel Trinity

test.

A Los Alamos1943-1945

Trinity Test16 luglio 1945

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Uno zoo di particelle

Uno Zoo di particellePrima Conferenza Rochester, 1950Il giovane Leon Lederman a Fermi: “Professore, cosa ne pensa dell’evidenza della V02 di cui abbiamo appena sentito?” Enrico Fermi: “Giovanotto, se riuscissi a ricordare i nomi di queste particelle avrei fatto il botanico.”

1947 Mesone !

C. LattesH. MuirheadG. OcchialiniC. Powell

Cascata elettromagnetica

Particelle “strane”Rochester & Butler, 1947Vite medie “troppo lunghe”

Kaoni (")Lambda (#)Xi ($)Sigma (%)

!±&µ± + neutrino

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Pione neutro !0


L’esperimento di Conversi Pancini e PiccioniPrimi indizi dell’universalità delle interazioni deboli

``... la moderna fisica delle particelle inizò gli ultimi giorni della seconda guerra mondiale, quando un gruppo di giovani italiani, Conversi, Pancini e Piccioni, che si nascondevano dalle forze tedesche di occupazione, iniziarono un notevole esperimento...”

L. W. Alvarez, Recent developments in particle physics, Nobel Lecture, December 11, 1968

Bruno Pontecorvo (1947): “Vogliamo discutere la possibilità di una fondamentale analogia fra i processi beta di emissione o assorbimento di mesoni carichi...”L

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I.I. Rabi: “Who ordered that?”


“Gentlemen, we have been invaded... the accelerators are here.”(C.F. Powell al convegno di Bagnères-de-Bigorre, 1953)

L’esperimento G-Stack del 1954, firmato da 36 autori che facevano parte di una collaborazione europea, fu il trionfo e il canto del cigno per la comunità dei fisici dei raggi cosmici. Fornì l’ultimo importante contributo e segnò la transizione all’era degli acceleratori.

Emilio Segrè e Owen Chamberlain ricevettero il premio Nobel nel 1959 per la dimostrazione dell’esistenza dell’antiprotone (1955, Bevatrone).

B-29

Dai raggi cosmici agli acceleratori

Auguste Picard raggiunge la stratosfera (circa 16.000m, 1931)

L’antiprotone nei raggi cosmiciL’evento Faustina

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I mesoni “fatti in casa”


Verso lo spazio esternoGli sciami estesi dell’atmosfera

Extended Air ShowersMIT Volcano Ranch Experiment

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2-km2 array

“Al MIT non mise mai le mani su un cacciavite o un saldatore... non ricordo che Bruno ‘ordinasse’ mai a qualcuno di fare qualcosa: le attività scaturivano sempre dal discutere sulle possibilità.” Mattew Sands

Particelle primarie con energia 1020 eV (1959-1962, Volcano Ranch)

Verso gli aspetti astrofisici del problema

dei raggi cosmici

$0,67 eV energia necessaria a un protone o neutrone per sfuggire all’attrazione terrestre

$1000 – 15 000 eV energia tipica di un elettrone in un’aurora polare

$200 000 eV energia dei raggi X di una radiografia dentaria

$1 - 10 MeV energia delle particelle emesse dagli elementi radioattivi

$1-100 000 000 000 GeV Dominio delle energie tipiche dei raggi cosmici


Verso lo spazio esternoL’origine dei raggi cosmici

$0,03 eV energia di una molecola di ossigeno o di azoto nell’aria

$0,67 eV energia necessaria a un protone o neutrone per sfuggire all’attrazione terrestre

$1000 – 15 000 eV energia tipica di un elettrone in un’aurora polare

$200 000 eV energia dei raggi X di una radiografia dentaria

$1 - 10 MeV energia delle particelle emesse dagli elementi radioattivi

$1-100 000 000 000 GeV Dominio delle energie tipiche dei raggi cosmici

Primari: prevalentemente protoni e nuclei. Ma restava l’enigma della provenienza:

Distribuzione isotropa da mescolamento dovuto a interazione con la materia interstellare

Nel 1949 Fermi ipotizza che i RC guadagnino energia interagendo con i campi magnetici

galattici. Prima valutazione dei campi attraverso i RC. Primo sforzo quantitativo per comprendere i meccanismi accelerativi.

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Le informazioni sulla radiazione primaria (presenza di nuclei pesanti e spettro energetico) ottenute alla fine degli anni quaranta richiedevano un meccanismo accelerativo più efficace di quello ottenuto da Fermi nel 1949.

Fermi a Rossi, 14 luglio 1953

Dear Bruno,

I was in Brookhaven for a period of two weeks and had been hoping that you would be there too, but I heard that you have changed your plans. I saw a man that worked with you, whose name, I believe, is Bob Williams, and he told me that you are at present engaged in some work on the origin of cosmic radiation...

S. Chandrasekhar: “I met Fermi regularly for two hours every Thursday morning and we discussed a variety of astrophysical problems bearing on hydromagnetics and the origin of cosmic radiation.”Fermi, E. , Chandrasekhar, S., Magnetic Fields in Spiral Arms (Astrophysical Journal, 1953)

Fermi, E. and Chandrasekhar, S., Problems of Gravitational Stability in the Presence of a Magnetic Field (Astrophysical Journal, 1953)

Rossi a Fermi, 30 luglio 1953

Dear Enrico,! ! ! !

Thank you for your letter of July 14, which I found in Cambridge upon my return from the Bagneres conference. I read with great interest your considerations regarding the acceleration of cosmic ray particles in interstellar space... When Phil Morrison was at M.I.T. last spring, we had many discussions on the origin of cosmic rays, and we are now trying to summarize in a paper some of our conclusions. ..

E. Fermi, Galactic Magnetic Fields and the Origin of Cosmic Radiation (1954)Morrison, P. , Olbert, S., Rossi, B., The Origin of Cosmic Rays (luglio 1954)

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E. Fermi, “Lectures on Pions and Nucleons”B. Rossi, “Lectures on Fundamental Particles”

B. Rossi, “Lectures on the Origin of Cosmic rays”

Varenna 1954

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La guerra fredda

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•Nascita della big science•Forte dominanza della fisica•Fondi governativi•Militarizzazione della scienza•Nascita di nuovi centri di potere (MIT, Harvard, Caltech Jet Propulsion Lab ecc•Nuove reti del potere•Ricerca segreta•Riorganizzazione dei campi di ricerca•Politica e formazione•McCarthismo•Movimenti per il disarmo (Pugwash)

Nel 1945 nasce il Bulletin of the Atomic Scientists (fondato dagli ex fisici del Progetto Manhattan)

Trasformazio

ne

nella organ

izzazione

della scienza


Lo Sputnik inaugura l’era spaziale

Sputnik I, Oct. 4 1957

Kudrjavka (alias Laika)

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La scoperta delle fasce di Van Allen

Distribuzione approssimata delle particelle (RT = 6378 km)Distanze fra 2.5 e 5.8 RT : protoni poco energetici (ca. 3 MeV)Distanze fra 1.5 e 1.7 RT : protoni energetici (> 30 MeV)Distanze fra 3 e 4.3 RT : elettroni poco energetici (ca. 2 MeV)Distanze fra 1.6 e 8.5 RT : elettroni molto energetici (> 40 MeV)La vita media delle particelle nella fascia interna è di circa 10 anni, le particelle vengono poi perse per cattura atmosferica. Nella fascia esterna, invece, soggetta a forti perturbazioni a causa dei brillamenti solari, la vita media non ha un valore ben definito.

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V-2

31 gennaio 1958

Explorer 1


Per il gruppo di raggi cosmici del MIT fu molto naturale indirizzare parte della sua attività verso il nuovo campo della scienza spaziale. Secondo l’opinione di Rossi e dei suoi collaboratori i veicoli spaziali non dovevano essere utilizzati con lo scopo di ottenere migliori informazioni sui raggi cosmici primari rispetto alle possibilità offerte dai laboratori terrestri. Piuttosto era necessario progettare esperimenti che potessero fornire una nuova linea di ricerca per affrontare gli stessi problemi astrofisici a cui si erano interessati nel corso dei loro studi sui raggi cosmici. Queste considerazioni li portarono ad individuare due nuove linee di ricerca: lo studio del plasma interplanetario e l’astronomia gamma.

29 luglio 1958: Nasce la NASA

27 giugno 1958: Primo meeting del Space Science Board creato dalla

National Academy of Sciences

“Il lancio del primo Sputnik offriva la possibilità, soltanto un sogno negli anni trenta, di andare oltre l’atmosfera... e di studiare la vera radiazione primaria” Giuseppe Occhialini

I veicoli spaziali aprono una nuova “finestra tecnologica”

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Livio Scarsi: “Arrivai a Cambridge, Mass. alla fine di settembre del 1957, appena in tempo per guardare alla TV il 4 ottobre l’apertura dell’Era Spaziale con il lancio dello Sputnik. Per gli USA fu un vero shock che produsse una reazione quasi isterica nei campus universitari e nelle istituzioni di ricerca, insieme naturalmente all’impatto su difesa e industria. ”

“Occhialini a Livio Scarsi: È ora che tu lasci questo lavoro (al momento emulsioni e K) per non correre il rischio di diventare vittima di una monocoltura e del suo inevitabile insterilimento; vai da Rossi al MIT e cerca una nuova strada.”


Dai laboratori terrestri alla fisica nello spazio

All’inizio dell’era spaziale, in generale si riteneva che ci fosse del plasma nello spazio interplanetario. Tuttavia le opinioni riguardanti le proprietà di questo plasma erano ampiamente divergenti.

Il gruppo di raggi cosmici del MIT si era occupato del problema a causa dell’ipotes riguardo la possibilità che le variazioni temporali dell’intensità dei raggi cosmici potessero essere dovute a nuvole di plasma magnetizzato emesse dal sole.

Quando Rossi divenne membro dello Space Board Committee mise subito in evidenza che non era stato progettato alcun esperimento per indagare sulle condizioni dello spazio esterno alla terra e in particolare sulla relazione sole-terra (settembre 1958).

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Autunno 1959 - Eugene Parker suggerisce che la pressione del mezzo interstellare sia troppo debole per consentire all’atmosfera solare di essere in equilibrio idrostatico. Deve espandersi continuamente nello spazio riempiendo l’intero sistema solare e generando un flusso radiale ad alta velocità dell’ordine di centinaia di chilometri al secondo: il vento solare.

Affrontare nello spazio questioni fondamentali per la fisica


Le incertezze nelle proprietà del plasma, significavano che una richiesta primaria di una sonda per plasma che esplorasse lo spazio interplanetario doveva avere un range dinamico molto ampio. Ritenevamo saggio, nei primi esperimenti, sacrificare la precisione a favore della semplicità di progetto, della forza strutturale e affidabilità delle operazioni... Per questa ragione il rivelatore proposto fu progettato a partire dal modello di uno strumento classico, ben sperimentato: la tazza di Faraday. Bruno Rossi

Il flusso di protoni del plasma sarebbe passato attraverso la griglia G4 verso il collettore, tenuto a un oppotuno potenziale negativo in modo da evitare agli elettroni del plasma di raggiungerlo. Le griglie G1, G2, e G3 furono aggiunte in modo da rimuovere del tutto ogni disturbo dovuto alle correnti fotoelettriche diretta e inversa dovute alla luce solare che colpiva la piastra del collettore e agli accoppiamenti capacitivi fra la griglia modulatrice G3 e il collettore C.

Fig. 4.8 LNSE Annual Progress Report, Maggio 31 (1959) 61

...procedemmo costruendo un modello dello strumento, che sottoponemmo a un certo numero di test... Bruno Rossi

Sondare il plasma spaziale con la tazza di Faraday

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25 marzo 1961Explorer X dimostra l’esistenza del vento solare

“...È indubbio che il plasma in rapido movimento incontrato dall’Explorer 10 durante il terzo [da R=20.9RE a R=41.3RE] e quarto[da R=41.3RE a R=42.3RE] periodo del suo volo non origina dalla terra, ma è una caratteristica dello spazio interplanetario (tuttavia è probabile che la presenza della terra potrebbe aver materialmente modificato il flusso del plasma nella regione esplorata dal satellite.”

Bonetti, Bridge, Lazarus, Lyons, Rossi, Scherb (1963)

Il satellite Explorer X era equipaggiato con due tipi di magnetometri e la tazza di Faraday del MIT

Preparare un esperimento per un volo spaziale. Una situazione completamentente inedita per i fisici!


Il vento solare e la magnetosfera terrestre

Negli anni che seguirono il volo di Explorer X le osservazioni sono state effettuate a distanze sempre crescenti dalla terra... La sonda per il plasma modulata, originariamente sviluppata per gli esperimenti dell’Explorer X, è tuttora usata, essendosi dimostrata un rivelatore efficiente per molti tipi di misurazioni sul plasma.

Bruno Rossi

“(a) Rappresentazione schematica della cavità geomagnetica prevista nel caso di un plasma in movimento, perfettamente freddo, senza campo magnetico.(b) Tentativo di modello per la cavità e il fronte d’onda stazionario prodotto dall’interazione del vento di plasma effettivo con il campo geomagnetico.”

“... Il campo geomagnetico agisce come un ostacolo per il flusso di plasma, creando intorno alla Terra una cavità in cui il plasma interplanetario non può penetrare... Explorer 10 ha attraversato il confine della cavità geomagnetica... Il vento di plasma osservato era supersonico rispetto sia alle onde sonore che alle onde di Alfvèn... sul piano generale ci si può aspettare la formazione di un’onda d’urto di fronte alla Terra.”

Bonetti, Bridge, Lazarus, Lyons, Rossi, Scherb (1963)

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Apertura di nuove finestre osservativeLa Radioastronomia

La Radioastronomia è iniziata nel 1933, quando Karl Jansky ha scoperto l’emissione radio proveniente dalla Via Lattea.

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Le particelle cariche sono deflesse dai campi magnetici galattici

I raggi cosmici cambiano composizione in seguito a collisioni con il gas primordiale.

Le onde radio, i raggi gamma e X si propagano nell’universo conservando la direzione, quasi senza essere assorbiti. Lo sviluppo della radioastronomia, nel

riconoscere la connessione tra raggi cosmici e emissioni radio, consentì di comprendere

l’importanza del problema dell’origine e delle loro proprietà in differenti regioni

dell’universo, divenendo questioni fondamentali per l’astrofisica. In linea di principio questo tipo di osservazioni

fornisce anche una maniera diretta per studiare la distribuzione laterale die raggi cosmici che li producono. Forniscono dati più accurati sulla

densità del gas nello spazio interstellare e intergalattico. Lo studio dei raggi cosmici inizia a rivestire una importanza non soltanto come

studio in sé, bensì anche come avente un ruolo essenziale nella dinamica del mezzo

interstellare, nei gusci di supernovae e come uno dei fattori principali nel determinare

l’evoluzione delle galassie.

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Astronomia gammaL

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Fin dagli anni ’50 alcuni fisici avevano ipotizzato che questo tipo di radiazione potesse essere emessa in una serie di processi come l’interazione tra raggi cosmici e gas interstellare, esplosioni di supernovae, interazione di elettroni energetici con campi magnetici. Il primo satellite per lo studio dei gamma fu l’Explorer 11, con un esperimento messo a punto al MIT da Kraushaar e Clark.

Explorer 11


Astronomia gamma negli anni ’70 e ’80

Il grande salto nel campo dell’astronomia gamma si ebbe con i satelliti SAS-2 E COS-B . Giuseppe Occhialini fu tra i padri fondatori del progetto COS-B dell’ESA, che fornì la prima mappa dettagliata delle sorgenti di raggi gamma della nostra galassia e quindi sui processi di alta energia che hanno luogo in tutto l’universo.

FERMI (GLAST)

E oggi...

GLAST Large Area Telescope

GLAST Burst Monitor

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Raggi X dal Sole

La prova definitiva dei raggi X di origine solare nell’atmosfera venne da un esperimento effettuato da Herbert Friedman, che utilizzò dei geiger su un razzo V-2 lanciato il 29 settembre del 1949. I geiger individuarono una intensa radiazione X di indubbia provenienza solare:

“Abbiamo ricevuto buoni segnali in ogni intervallo di lunghezza d’onda che abbiamo selezionato, e abbiamo potuto concludere che i raggi X sono stati un fattore importante nel produrre la regione E della ionosfera...”

Herbert Friedman

I primi spettri solari nell’ultravioletto (fino a circa 230 nm) furono registrati al di sopra dei 30 km con un razzo V-2 lanciato 1l 10 ottobre 1946 dagli scienziati del Naval Research Laboratory

Nel 1938, Edward O. Hulburt e il norvegese Lars Vegad suggerirono che i raggi X molli provenienti dal sole sono in grado di provocare una dissociazione negli atomi della regione E della ionosfera terrestre (90 -130 km).

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Bruno Rossi e la nascita dell’astronomia XUna sfida scientifica

Ovvero: il caso favorisce la mente predisposta

“Devo ammettere che la mia motivazione principale era una profonda fiducia nelle illimitate risorse della natura, che così spesso sorpassa di gran lunga la più audace immaginazione umana.”

Bruno Rossi

Nonostante le alte temperature degli strati esterni del sole (corona e brillamenti) l’intensità totale in raggi X in lunghezze d’onda inferiori a circa 10 Å è estremamente ridotta. Così che i primi studi sul sole fornivano una descrizione di quella che gli scienziati assumevano essere una tipica emissione X da stelle analoghe alla nostra, funzionando da disincentivo per le ricerche dell’epoca.

Tuttavia, secondo l’opinione del gruppo di Rossi (R. Giacconi, F. Paolini), i vari processi in cui vengono prodotti raggi X in differenti quantità potevano indurre a pensare a grandi variazioni di flusso in stelle di tipo diverso. In altre parole, l’astronomia X poteva essere di interesse ben più ampio dell’astronomia ottica e ci si poteva aspettare di vedere in molti casi oggetti diversi da quelli identificati attraverso la luce visibile. Nuovi meccanismi di produzione rendevano particolarmente interessante questo tipo di astronomia...

“Ma nessuno aveva ancora esplorato il cielo con rivelatori per i raggi X così sensibili come quelli che io speravo potessero essere sviluppati, e questa per me era una ragione sufficiente per intraprendere questa esplorazione; la mia lunga esperienza come fisico dei raggi cosmici mi aveva insegnato che quando si entra in un territorio inesplorato esiste sempre la possibilità di trovare qualcosa di imprevedibile.”

Bruno Rossi

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Bruno Rossi e la nascita dell’astronomia XUna sfida scientifica

Il team dell’ American Science & EngineeringRiccardo Giacconi, Frank Paolini, Herbert Gursky

B. Rossi and R. Giacconi, A ‘Telescope’ for Soft X-Ray Astronomy'' J. Geophys. Res. 1960

Il sistema di rivelazione sviluppato da Frank Paolini consisteva in tre serie di Geiger a forma di pancake. Rappresentava un notevole miglioramento da un punto di vista della sensibilità (l’area di rivelazione era molte centinaia di volte più ampia), dei tempi per l’accumulo dei dati e del range in lunghezza d’onda. Il fondo cosmico venne ridotto con un sistema di anticoincidenze.

“Mentre il nostro esperimento era ufficialmente mirato alla luna, speravamo che avrebbe anche rappresentato un primo tentativo nella ricerca di altre più remote sorgenti di raggi X. Così, invece di usare un rivelatore con un ristretto campo ristretto di vista, che montato su un razzo in rotazione avrebbe ripetutamente esplorato una stretta striscia del cielo contenente la luna, decidemmo di lasciare il campo di vista del rivelatore completamente aperto, in modo da dargli modo di esplorare una larga sezione del cielo.”

Bruno Rossi

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La scoperta di SCO X-1La prima sorgente extrasolare di raggi X

Il razzo salì a un’altezza massima di 225 km, ruotando due volte al secondo sul suo asse. Ad ogni rotazione i contatori esploravano una porzione del cielo ampia 100°. Ad una altitudine di 80 km, l’aumento nella frequenza di conteggio dei contatori segnalò la comparsa di un flusso di radiazioni piuttosto forte nella regione sud del cielo. Non poteva essere la luna, era troppo forte e non allineato con il satellite.

Flusso stimato di raggi X dalla corona solare ~ 106 cm"2 s"1

Flusso stimato di X dalla corona a distanza di 8 anni luce ~ 2.5!10"4 cm"2 s"1

Flusso atteso dalla Luna (fluorescenza) 0.4 cm"2 s"1

Flusso rivelato dalla sorgente SCO X-1 28±1.2 cm"2 s"1

TestoSuccessivi esperimenti negli anni ’60 mostrarono che si trattava di un sistema binario con una stella di neutroni

L’emissione X di SCO X-1 è 10000 volte maggiore dell’emissione ottica.

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Ricordo che passammo mesi e mesi ad assicurarci che non ci fosse qualche errore nelle nostre determinazioni e per convincerci che la sorgente di raggi X non era effettivamente la luna...Eravamo tutti scettici all’inizio e facemmo un gran lavoro per valutare tutte le possibili sorgenti di errore.In autunno, essendo finalmente certi di aver correttamente interpretato le nostre osservazioni, ci sentimmo autorizzati ad informare la comunità scientifica della nostra scoperta: Riteniamo che i data possano essere spiegati nel modo migliore identificando l’insieme della radiazione come raggi X molli provenienti dall’esterno del sistema solare.L’annuncio della scoperta di una sorgente di raggi X situata all’esterno del sistema solare fu accolta con molto interesse, ma inizialmente con considerevole scetticismo; tanto che la nostra “lettera” fu inizialmente respinta da Physical Review, e alla fine fu accettata per la pubblicazione soltanto dopo che io stesso dissi a Samuel Goudsmith, all’epoca editor della rivista, che mi assumevo personalmente la responsabilità del contenuto.Lo scetticismo era giustificato. L’esistenza di una sorgente celeste, presumibilmente molto remota di raggi X di tale straordinaria intensità da essere osservabile con i nostri semplici strumenti appariva incompatibile con tutte le osservazioni astronomiche disponibili all’epoca e che riguardavano i corpi celesti noti.Quello che il nostro esperimento rivelava non contraddiceva queste informazioni, ma aveva dimostrato l’esistenza di oggetti celesti in precedenza sconosciuti a cui tali informazioni non si applicavano...”

Alle frontiere della fisicaL

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Le nuove astronomie X e Gamma hanno dato luogo a un cambiamento epocale nella visione del nostro universo. La calma apparente nasconde in realtà una quantità di oggetti esotici e fenomeni violenti attraverso i quali si hanno continue trasformazioni, cambiamenti, rimescolamenti della materia, interazioni. I raggi X vengono prodotti spesso in sorgenti molto variabili, che vanno quindi monitorate in questa banda.

L’osservatorio Einstein della NASA (HEAO-2) lanciato nel 1978 conteneva il primo telescopio per raggi X a focalizzazione radente che aumentava la sensibilità di un fattore 1000. Individuò più di 7000 sorgenti e fornì le prime immagini di un’onda d’urto proveniente da esplosioni stellari.

Laboratori spaziali - Il cielo ai raggi X


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Le nuove astronomie X e Gamma hanno dato luogo a un cambiamento epocale nella visione del nostro universo. La calma apparente nasconde in realtà una quantità di oggetti esotici e fenomeni violenti attraverso i quali si hanno continue trasformazioni, cambiamenti, rimescolamenti della materia, interazioni. I raggi X vengono prodotti spesso in sorgenti molto variabili, che vanno quindi monitorate in questa banda.

BeppoSAX, lanciato nell’aprile 1996, fornì le indicazioni sulla precisa localizzazione delle sorgenti associate ai Gamma-Ray Burst.Il Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) della NASA, l’XMM-Newton e il Chandra X-ray Observatory, sono stati i cavalli di battaglia dell’astronomia X all’inizio del XXI secolo.

Nel 1971, il satellite UHURU (“Libertà in Swaili”) fece la prima esplorazione sull’intera volta celeste individuando 339 sorgenti X. Fornivano evidenza di buchi neri, stelle di neutroni super dense che estraggono materia dalla compagna, e vaste zone di gas ad alta temperatura in sistemi giganti contenenti migliaia di galassie.

L’osservatorio Einstein della NASA (HEAO-2) lanciato nel 1978 conteneva il primo telescopio per raggi X a focalizzazione radente che aumentava la sensibilità di un fattore 1000. Individuò più di 7000 sorgenti e fornì le prime immagini di un’onda d’urto proveniente da esplosioni stellari.

Laboratori spaziali - Il cielo ai raggi X


http://www.mpe.mpg.de/xray/wave/other_projects/uhuru

La luce è un messaggero cosmico per eccellenza. Per migliaia di anni la luce visibile è stata il nostro unico accesso all’universo. Grazie ai fotoni che raggiungono la terra dal cosmo conosciamo le stelle, le galassie, il mezzo interstellare, i campi magnetici, le temperature, le masse, le densità, le composizioni, le velocità, ecc. La luce non è più l’unica fonte di informazione. Da cento anni i raggi cosmici ci forniscono molte più informazioni, insieme alle radiazioni invisibili, a cui ora si aggiungono i neutrini e forse le onde gravitazionali...La radiazione fossile ci fornisce informazioni sull’universo primordiale.In sostanza, tutto ciò che sappiamo in astrofisica viene dalla radiazione elettromagnetica e dai raggi cosmici.


Perché studiare i raggi cosmici oggi?! Contribuiscono in modo significativo ai processi energetici della galassia.

! Sono messaggeri di processi cosmogonici che producono gli elementi della tavola periodica

! Raggi cosmici solari provenienti dai brillamenti e le Coronal Mass Ejections influenzano la nostra ionosfera

! I raggi cosmici con energie sopra i 1020 eV non sono compresi e possono darci un indizio su fenomeni estremamente energetici che non possiamo studiare sulla terra

! Insieme ai raggi gamma e ai neutrini ci aiutano a studiare oggetti astrofisici come i Nuclei galattici attivi, le esplosioni di supernovae, i buchi neri che collassano e le stelle di neutroni e forse anche i Gamma-Ray Bursts.

! Sono messaggeri dell’Universo primordiale. Per comprendere l’origine dell’Univeso bisogna muoversi su scale di grandezza che vanno da quella cosmologica a quella tipica delle particelle elementari (cosmologia e astroparticelle).martedì 28 dicembre 2010

! Oggi nuove tecniche permettono di studiare i raggi cosmici a energie che vanno ben oltre i limiti imposti dagli acceleratori di particelle. La fisica delle Astroparticelle sta cercando di rispondere a interrogativi come quelli riguardanti la materia oscura, l’energia oscura, l’assenza di simmetria tra materia e antimateria nell’universo osservabile... L’eventualità dell’esistenza di particelle “esotiche” come le cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) ....

! I neutrini portano con sé molte informazioni sul passato dell’universo e le fonti che li hanno generati perché interagiscono pochissimo. Per aumentare le chances di “vederli” servono rivelatori enormi.

! Messaggeri da un universo violento e invisibile. La sfida per comprenderne l’origine è più che mai attuale. Sono la traccia dei fenomeni più violenti dell’universo, come le esplosioni di supernovae o l’accrescimento di buchi neri al centro delle galassie. Ci forniscono la prova dell’esistenza di sorgenti esotiche come nuclei galattici attivi e pulsar.


Il Cosmic Microwave Background (CMB), il residuo fossile della prima luce

prodotta nell!Universo circa 15 miliardi di anni fa. La frequenza è cambiata

portandosi dal visibile verso le microonde. Il fondo cosmico a microonde è

dunque una immagine del primo universo, l!eco del Big Bang e una delle

principali prove della sua esistenza.

L!analisi di questa radiazione con l!esperimento BOOMERanG, un

telescopio a microonde montato su un pallone stratosferico, ha permesso

di realizzare una mappa dell!universo primordiale e di individuare la

formazione delle prime strutture appena 380000 anni dopo il Big Bang.

L’Esperimento BOOMERanG

Francesco Melchiorri

Paolo De Bernardis e Silvia Masi

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Aspetti principali delle ricerche sui raggi cosmiciRaggi cosmici nel sottosuolo e nell!atmosfera

%Interazione tra raggi cosmici e superficie e atmosfera terrestri%Generazione di particelle secondarie%Influenza sulla ionosfera%Influenza su processi chimici e formazione dello strato di ozono%Scambio di elementi chimici tra atmosfera biosfera e oceano

UV

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Raggi cosmici nella magnetosfera e nello spazio

%La terra come gigantesco spettrografo magnetico

(dipendenza di fenomeni e processi connessi con i RC a

partire dall!energia delle particelle primarie, trasporto di RC

galattici nell!eliosfera, Coronal Mass Ejections, ecc)

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Raggi cosmici di origine solare,

planetaria, interplanetaria

%Processi relativi all!accelerazione delle

particelle connessi ai brillamenti solari,

nelle magnetosfere dei pianeti, nello

spazio interplanetario, propagazione


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Astrofisica dei raggi cosmici

%Origine dei CR nella nostra galassia e nell!universo, spettro dell!energia dei primari, abbondanze di elementi chimici e isotopici, sorgenti nella galassia e nell!universo, processi di accelerazione e propagazione, connessione con radio, gamma e neutrino astronomy. I neutrini sono messaggeri perfetti, coprono distanze enormi e fanno risalire alla sorgente di provenienza. Servono per sondare l!universo: le informazioni su una sorgente possono provenire dall!esistenza o meno di neutrini. Forniscono informazioni sulla fisica delle particelle: oscillazioni tra una specie e l!altra.

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Particelle elementari e fisica delle alte energie

%Particelle di alta energia nei CR (da supernovae,

pulsar, stelle binarie, nubi giganti, galassie con alto

tasso di stelle in formazione) ricerca di nuove

particelle, indagini sulle interazioni ad altissima

energia e sulla generazione di cascate

nell!atmosfera, determinazione dello spettro di

energia, ecc.

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H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System)Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope di nuova

generazione per lo studio dei gamma cosmici nel range da 100 GeV a 100 TeV.

L’atmosfera come rivelatore

Esperimenti per la rivelazione indiretta di raggi cosmici: telescopi CherenkovLo sciame di particelle secondarie può muoversi a velocità che superano la velocità della luce nell’aria. Come l’onda d’urto generata da un moto supersonico, viene provocata l’emissione di un flash di luce di tonalità blu, la luce Cherenkov, fornendo informazioni indirette sul raggio cosmico primario. Lo stesso effetto può essere ottenuto in acqua come nel caso del rivelatore Auger.

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Pierre Auger Cosmic Ray Observatory

La luce rivelata in una delle stazioni dipende dalla distanza dall’asse dello sciame. Il serbatoio più vicino al cuore dello sciame riceve un segnale molto più forte rispetto a quelli che sono più lontani dall’asse. La direzione di arrivo viene calcolata a partire dal tempo di arrivo iniziale del fronte dello sciame rispetto ai tempi di arrivo nei differenti rivelatori presenti nei serbatoi più lontani.

Esperimenti per la rivelazione indiretta di raggi cosmici: rivelatori di superficie per sciame

atmosferico esteso

1600 rivelatori spaziati a 1.5 km. Griglia esagonale che ricopre una superficie di 3000 km2.

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Un bagno di neutriniI neutrini sono le particelle più diffuse nell’Universo

telescopi per neutriniGHIACCIO: SCHERMO, BERSAGLIO

E MEZZO TRASPARENTE4200 moduli ottici sepolti tra 1450 e 2450 metri sotto il ghiaccio antarticoI neutrini di alta energia interagiscono con il ghiaccio antartico e producono elettroni, muoni o tau che viaggiano a una velocità superiore a quella della luce del mezzo producendo debole luce Cerenkov rivelata dai moduli ottici di IceCube

NEMO

I neutrini prodotti dalla supernova nella nube di Magellano esplosa circa 167000 anni aC. sono arrivati sulla terra il 23 febbraio 1987. I raggi gamma provenienti dalle sorgenti distanti dell’Universo, vengono fortemente assorbiti nello spazio a causa delle interazioni con la radiazione di bassa energia (infrarossi e microonde). L’identificazione dei neutrini, che arrivano direttamente dalle sorgenti più lontane, permette di esplorare regioni sconosciute e di studiare la fisica dei buchi neri, delle sorgenti astrofisiche come i Nuclei Galattici Attivi, i Gamma Ray Burst ecc.

IceCube “Antenna” sottomarina studiata per rivelare neutrini astrofisici di altissima energia.

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GLAST (ribattezzato FERMI) è stato lanciato da Cape Canaveral l’11 giugno 2008.

La banda brillante al centro è prodotta da raggi cosmici che interagiscono con il gas presente nel piano della Via Lattea

FERMIGamma-Ray Space Telescope

Esplorazione dell’Universo estremo

Dopo un anno in orbita è stato compilato un catalogo che elenca più di 1400 sorgenti puntiformi di raggi gamma. L!immagine mostra il tipo di sorgenti e la loro posizione in coordinate galattiche.

Cercando i resti di supernovae di varie età e combinando questa informazione con i dati da osservatori terrestri di gamma che individuano energie ancora più alte si spera di confermare che questi sono le sorgenti principali di raggi cosmici

Lo spazio come laboratorioRivelazione diretta dei raggi cosmici

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I signori dei raggi cosmici - Luisa Bonolis Homepage ictor Hess si prepara a una ascensione in...

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