Un caffè col fisico

Coffee Break @ Ecole de Physique: Raggi cosmici!

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E’ di nuovo Lunedì e ci si ritrova in pausa caffè “chez Jasmin” in Ecole de Physique per parlare di raggi cosmici.

I raggi cosmici in realtà non sono affatto dei raggi (ma almeno sono cosmici), questo nome è rimasto per motivi storici, ma sono delle particelle, principalmente nuclei (cioè senza elettroni) degli atomi più leggeri, tipo Idrogeno, Elio, etc. . Nel passato, prima che vi fosse data una spiegazione corretta da Victor Hess nel 1912 che gli valse il premio Nobel, si pensava fosse semplicemente radiazione, cioè luce, di straordinaria intensità, e si credeva provenisse in qualche modo dal Sole.

Quello che scoprì invece Victor Hess e successori fu che si trattava di nuclei, come dicevo, principalmente degli elementi chimici più leggeri che provengono da tutte le direzioni del cielo con energie elevatissime. Tali energie così elevate fanno pensare che provengano come residui delle esplosioni delle Supernovae, di cui vi parlavo qualche settimana fa.

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(image credit to NASA)

Fin qui, nulla di estremamente interessante, lo ammetto. Conto dunque di interessarvi con un fenomeno legato ai raggi cosmici che può essere spiegato solo se crediamo alla relatività speciale di Einstein.

La dilatazione temporale della vita media dei muoni cosmici

Come dicevo, ci arriva un flusso costante e da tutte le direzioni di nuclei atomici. Questo flusso è detto “flusso primario di raggi cosmici”. Quando i nuclei incontrano l’atmosfera della Terra, cominciano a scontrarsi con varie particelle presenti in essa ed essendo molto energetici tendono a rompere in mille pezzi tutto ciò che incontrano, producendo un secondo flusso, detto appunto “flusso secondario di raggi cosmici”, che prosegue la sua strada verso la Terra a velocità altissime, prossime a quelle della luce.

particleshower

Tra i protagonisti di tale flusso secondario ci sono i muoni, i cugini pesanti degli elettroni come vi dicevo tempo fà.

I muoni sono particelle molto instabili e tendono a decadere nei loro cugini più leggeri, gli elettroni, producendo anche neutrini e antineutrini, in pochissimo tempo. Per essere precisi, la loro vita media, cioè quanto resistono in media senza decadere, è di circa 2 micro secondi, cioè un millesimo di millesimo di secondo!

Questa vita media è tale nel sistema di riferimento in cui il muone è a riposo, cioè in pratica nel sistema di riferimento in cui siamo seduti sopra al muone.

E’ la stessa cosa che guardare un treno dalla stazione passare: noi da terra lo vediamo muoversi con una certa velocità, ma chi è nel treno vede noi muoversi, mentre lui è fermo. Dunque, se ci mettiamo nel treno del muone, quello decade in media in 2 micro secondi.

Un tempo di vita così breve significa che di muoni sulla Terra devono arrivarne ben pochi! Infatti, se pensate che il flusso secondario viene generato tra i 10 000 e i 5 000 metri e che un muone in 2 micro secondi percorre circa 600 metri, ne dovrebbero arrivare pochissimi sulla Terra (non zero in ogni caso, ricordate che il decadimento è un processo stocastico, dunque anche se maggior parte di loro avrà la vita media che vi ho detto, ce ne saranno alcuni rari con vite più lunghe).

Eppure, se ne osservano molti di più di quelli che ci si aspetta! Perché?

Perché siccome circolano con velocità prossime a quelle della luce, entra in gioco la relatività di Einstein, che ci dice che gli intervalli temporali si dilatano considerevolmente quando si ha a che fare con velocità così elevate. Ora ve lo spiego in due parole.

Prendiamo un muone e mettiamoci con lui, sul suo stesso “treno”. Facciamo partire il cronometro nel momento in cui è generato a seguito del flusso primario di raggi cosmici. Ora dobbiamo essere velocissimi a fermare il cronometro nel momento in cui decade in un elettrone. Diciamo che in un intervallo di 2,5 micro secondi decade e noi fermiamo il cronometro.

Ora pensiamo di chiedere a un amico di fare la stessa cosa, ma da terra, dalla “stazione”. Quello vede che il muone viene prodotto e avvia subito il cronometro. Aspetta che il muone decada e ferma il cronometro: 23 micro secondi, come è possibile??

E’ ciò che è previsto dalla relatività di Einstein: particelle che viaggiano alla velocità della luce, o quasi, sperimentano un passare del tempo più lento rispetto a chi è invece fermo. Dunque se anche noi sul treno abbiamo misurato i soliti 2,5 micro secondi, per il nostro amico a terra il tempo trascorre diversamente dunque misura 23 micro secondi! Capito?

Questo spiega il motivo per cui ci arrivino a terra molti più muoni di quelli che ci si aspetterebbe se avessero vita media 2 microsecondi: fanno in realtà 10 volte tanto la strada in 23 micro secondi, dunque percorrono 6 000 km!

Questa fu una delle tante verifiche della teoria della relatività speciale, effettuata in un esperimento con a capo un italiano, Bruno Rossi, nel 1941.

Alla prossima!

 

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