Introduzione ai Raggi Cosmici

I raggi cosmici sono particelle cariche elettricamente provenienti dallo spazio la cui origine può essere attribuita a diverse sorgenti, tra cui il Sole, le stelle, le esplosioni di supernovae e persino le galassie molto distanti.

L'esistenza di queste particelle è stata scoperta casualmente nel 1912 dal fisico austriaco Victor Hess. Durante l'ultimo di una serie di esperimenti in mongolfiera, Hess notò che i suoi elettroscopi (strumenti per rilevare cariche elettriche) si scaricavano sempre più velocemente man mano che superava una certa quota. Queste scariche erano causate da particelle che attraversavano l'atmosfera e interagivano con il gas all'interno dello strumento, un fenomeno che diventava sempre più intenso man mano che l'altitudine aumentava. Grazie al contributo fondamentale alla scienza, Hess ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1936.

La sorgente di raggi cosmici più vicina a noi è il Sole, ma questi possono viaggiare per distanze enormi nello spazio e, prima di raggiungere la Terra, interagiscono con altre particelle e campi elettromagnetici che ne alterano sia la traiettoria che l'energia. Studiare la loro origine e il modo in cui interagiscono con l'ambiente è fondamentale per comprendere meglio l'universo.

Raggi Cosmici Primari e Secondari

I raggi cosmici primari sono composti principalmente da protoni, ma si possono trovare anche nuclei di elio, elettroni, antiparticelle e altri nuclei atomici. Una volta raggiunta la Terra questi interagiscono con l'atmosfera e si diramano in uno sciame di particelle (raggi cosmici secondari) costituito da tre componenti:

Elettromagnetica (90% circa): composta da fotoni gamma molto energetici che interagiscono con gli atomi nell’atmosfera e generano coppie di elettroni e positroni. Queste coppie generano altri fotoni gamma, e così via. L'effetto a cascata può produrre radiazione Cherenkov, osservabile da appositi telescopi ottici a terra, e si ripete finché l'energia dei fotoni è sufficientemente alta.

Muonica (9% circa): composta da muoni, antimuoni, è la più penetrante e può attraversare grandi quantità di materia.

Adronica (1% circa): composta principalmente da protoni, neutroni e nuclei atomici (fino al Ferro), è la componente più importante perché rappresenta il ceppo principale da cui si diramano le altre due (elettromagnetica e muonica).

Queste particelle viaggiano in atmosfera a velocità prossime a quella della luce con energie in grado di superare di diversi ordini di grandezza quelle prodotte nei migliori acceleratori di particelle terrestri. Fra di esse, i neutroni ed i muoni rivestono un ruolo fondamentale nello studio dei raggi cosmici.

Tecniche di Rilevazione

Le proprietà distintive di muoni e neutroni richiedono approcci diversi per la loro rilevazione:​

• Muoni: La loro capacità di ionizzare la materia permette l'uso di rivelatori a gas, scintillatori plastici o liquidi e camere a nebbia. Questi dispositivi registrano la ionizzazione prodotta dai muoni lungo il loro cammino.​

• Neutroni: Poiché non ionizzano direttamente, la loro rilevazione si basa su interazioni secondarie. Rivelatori a gas contenenti isotopi dell'elio sfruttano la cattura neutronica per produrre particelle cariche rilevabili.

Le stazioni che rilevano neutroni vengono chiamate Neutron Monitor (di seguito NM).

Lo strumento EKAR

Lo strumento EKAR, realizzato da Antonio Zanardo, è il risultato dell'unione di due strumenti, il CRD1 e il DOUBLE-C. Il suo funzionamento è simile a quello dei NM, ma è in grado di rilevare particelle diverse, i Muoni. 

Costituito da 44 tubi Geiger-Muller (SBM19) disposti su quattro piani:

• Due piani da 10 tubi ciascuno, sistemati uno sopra l’altro, a 10 cm di distanza (CRD1).

• Altri due piani da 12 tubi ciascuno, sempre sovrapposti a 10 cm di distanza (DOUBLE-C).

Tutti i tubi sono alimentati con una tensione continua di 400V e corrente di pochi microampere. Ciascun piano è collegato ad un circuito elettronico di coincidenza che ha il compito di discriminare segnali non provenienti dallo spazio.

Quando un muone attraversa due piani contemporaneamente (o meglio in un tempo di circa 0.4 nanosecondi) produce due segnali distinti. Solo in questo caso, il circuito di coincidenza si attiva determinando l’avanzamento del contatore.

Lo strumento è dotato di una scheda Arduino Uno la quale, con un apposito firmware, controlla il funzionamento di tutto il sistema. La scheda svolge anche la funzione di data logger, salvando i dati in una memoria SD.  Altri due sensori, uno di temperatura e l’altro di pressione completano l’hardware.

Raccolta e Analisi Dati