È vero che siamo continuamente bombardati dai raggi cosmici?

Scienza e Fisica Quantistica

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Per capire cosa sono i raggi cosmici, dovremo riprendere qualche concetto già esposto.

Antonella Ravizza - 12/04/2022

La materia è fatta di atomi; semplificando e dando una descrizione classica, ogni atomo è formato da un nucleo (composto da neutroni e protoni) e da una nuvola di particelle negative (elettroni). I raggi cosmici sono sostanzialmente nuclei di atomi completamente ionizzati e accelerati a velocità vicine a quelle della luce (300.000 chilometri/secondo). Le particelle che formano i raggi cosmici provengono da ogni direzione dello spazio e formano una vera e propria “pioggia” che colpisce continuamente il nostro pianeta. È stato calcolato che ogni metro quadrato dell’atmosfera terrestre viene colpito ogni secondo da 30 mila raggi cosmici.

Raggi cosmici primari e secondari

I raggi cosmici si classificano in primari e secondari: i primari sono appunto quelli che dalle sorgenti arrivano fino al nostro pianeta, ed entrando in atmosfera collidono con le molecole dell’aria; i secondari sono quelli che vengono generati dalla collisione dei primari con gli atomi dell'atmosfera terrestre. Questa collisione infatti genera uno sciame di particelle che si propaga fino a raggiungere il suolo terrestre.
Tra i raggi cosmici primari troviamo: protoni, neutrini, elettroni, nuclei di varia natura e fotoni ad alta frequenza (raggi gamma). Tra i raggi cosmici secondari troviamo: elettroni, neutroni, mesoni (Pi, K...), muoni e neutrini. Non tutti gli sciami però riescono a raggiungere la terra: la raggiungono solo quelli più energetici.
I raggi cosmici hanno varie origini: quelli a bassa energia vengono dal nostro Sole e sono prodotti dalle eruzioni solari; quelli ad alta energia invece sono prodotti molto più lontano, si pensa che provengano dalle Supernovae (da ciò che rimane dell’esplosione di una stella massiccia).
La materia espulsa con forza dall’esplosione di una stella si espande nello spazio entrando in contatto con altra materia e ne accelera i nuclei, generando raggi cosmici. Un altro tipo di sorgente di raggi cosmici sono i buchi neri che si trovano al centro delle galassie: il buco nero ingloba la materia circostante emettendone getti a velocità prossime a quelle della luce.

Dove si rilevano i raggi cosmici?

Da qualche anno i rilevatori di particelle presenti lungo il circolo polare artico registrano una crescita delle radiazioni cosmiche che colpiscono il nostro pianeta. Le alte latitudini sono le migliori per registrare il fenomeno perché il campo magnetico terrestre convoglia verso il Polo Nord la radiazione cosmica. Tuttavia i Poli della Terra non sono l’unico posto dove i raggi cosmici si stanno intensificando. Una serie di palloni sonda lanciati per una simile verifica dalla California, hanno registrato un aumento anche a quella latitudine. Per avvicinare il più possibile la gente comune alla scienza qualche anno fa è stato inaugurato presso la stazione Toledo della metropolitana di Napoli (linea M1 – a ben 40 metri di profondità) un rivelatore di raggi cosmici, visibile al pubblico, realizzato dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Quando una particella ad alta energia colpisce i sensori di questo strumento i led di segnalazione si attivano rilevando il fenomeno. Particelle estremamente energetiche sono meno frequenti di particelle meno energetiche, ad esempio protoni con energia di 10¹⁸ eV sono piuttosto rari e hanno una frequenza di 1 per km² all'anno, mentre i protoni più frequenti trasportano energie intorno a 10¹² eV e si presentano circa ogni secondo per m². Facciamo notare che energie così alte non possono essere raggiunte dagli attuali acceleratori di particelle sulla terra, quindi nel cosmo sono presenti acceleratori naturali molto più potenti.

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Cosa ci dicono i muoni

Spesso si studiano i muoni perché la loro presenza è una evidente causa di particelle più pesanti provenienti dallo spazio; i muoni sono le uniche particelle che raggiungono il terreno (quindi rilevabili) e sono importanti anche per la relazione che hanno con i neutrini. I muoni hanno massa circa 200 volte maggiore dell’elettrone, sono altamente energetici e penetranti, ma essendo carichi, interagiscono solo debolmente e sono influenzabili dai campi elettrici e magnetici. I muoni sono particelle di seconda generazione perciò instabili, ovvero hanno una vita breve e si trasformano in un elettrone e due neutrini, un anti-neutrino elettronico ed un neutrino μ, per questo i muoni sono importanti anche per lo studio dei neutrini. Viaggiano a una velocità prossima a quella della luce; data la loro brevissima vita, sarebbero in grado di percorrere pochi metri, per cui non dovrebbero mai arrivare sulla superficie terrestre, invece ne arrivano in gran quantità! Secondo i fisici relativistici è proprio la grande velocità a dilatare il tempo della esistenza dei muoni e a consentir loro di percorrere distanze molto maggiori di quelle che la breve vita consentirebbe loro.

Raggi cosmici: come ci influenzano?

I raggi cosmici interagiscono con la materia e quindi anche con il nostro corpo; sulla Terra possono avere importanti conseguenze, fino ad influenzare la struttura delle nuvole. Alcuni esperimenti, infatti, hanno dimostrato che l’interazione tra raggi cosmici e le nuvole producono “semi” di aggregazione delle gocce e questo fa variare l’andamento naturale delle nuvole e può scatenare la formazione di violentissimi fulmini. Ma quel che è peggio è il fatto che possono diventare pericolosi per coloro che volano su aerei ad alta quota su rotte polari, perché le dosi di radiazioni che raccolgono possono diventare pericolose per la salute.
Un ulteriore rischio derivante dalla presenza di raggi cosmici è legato alla vulnerabilità dei circuiti elettronici a queste particelle, che può essere quantificato usando come unità di misura il ”fit”: failure in time. Un singolo fit corrisponde a un errore per transistor su un miliardo di ore di calcolo. Può sembrare poco, ma il problema diventa statisticamente significativo, considerando che la maggior parte dei componenti elettronici ha un failure rate dell’ordine delle centinaia, se non migliaia, di fit. Le società che producono semiconduttori sono molto preoccupate per questo problema in aumento continuo, soprattutto al diminuire delle dimensioni dei transistor nei chip dei computer e al crescere della potenza e della capacità dei sistemi digitali.