I raggi cosmici: particelle ad alta energia dall’Universo



Che cosa è una «particella energetica»?

Nella nostra vita quotidiana noi misuriamo energie in unità di un Joule. Più familiare è l'unità di un Watt, la quale misura una potenza, cioè l'energia consumata per unità di tempo. Ma queste unità non sono convenienti quando si parla di particelle elementari con massa molto piccola come i protoni ed elettroni.

I fisici delle particelle e dei raggi cosmici misurano le energie in electron Volt (eV). 1 eV è l'energia guadagnata da un elettrone o un protone che è sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 Volt. Per esempio, se avessimo una batteria di 4,5 V nel vuoto, e inserissimo un protone tra i suoi poli, il protone dovrebbe essere accelerato dalla tensione della batteria ed acquisire una energia di 4,5 eV.

Questa non è una energia molto elevata. Gli elettroni e protoni nella corona solare calda, dove la temperatura è di circa 1 milione di gradi, hanno una energia media di 100 eV. Ma quando si parla di raggi cosmici, energie molto più elevati sono coinvolte. Per essere rivelabili sulla terra, i raggi cosmici che incidono sulla parte superiore dell'atmosfera terrestre devono avere un minimo di energia di circa 450 milioni di eV (abbreviazione: 450 MeV per Mega electron Volt).

Raggi cosmici

I raggi cosmici che incidono sulla Terra sono stati contati, e noi ne conosciamo lo "spettro di energia" da diverse misurazioni. Questa figura mostra una raccolta di osservazioni su una vasta gamma di energie delle particelle (http://astroparticle.uchicago.edu/cosmic_ray_spectrum_picture.htm). I raggi cosmici di energia più alta che sono stati rivelati hanno una energia superiore a 100 miliardi di miliardi di eV (1020 eV)! Questa è l'energia di una palla da tennis lanciata a 100 km / h, ma nel caso dei raggi cosmici di altissima energia, essa si è concentrata in un minuscolo protone!

Queste particelle hanno origini diverse:

  • I raggi cosmici ad energie fino a un paio di miliardi di eV (109 eV, abbreviazione: GeV = Giga electron Volt) provengono dal Sole e da altre fonti nella nostra Galassia. Iin questa regione lo spettro è curvo, perché l'accesso al sistema solare interno dei raggi cosmici provenienti dall'esterno del sistema solare si riduce con l'azione del campo magnetico solare.
  • Il flusso continuo di raggi cosmici non proviene dal Sole, ma da sorgenti della nostra Galassia o anche oltre. Ad energie ben al di sopra 10 GeV il loro accesso al sistema solare interno non è influenzato dal campo magnetico solare. Queste particelle hanno uno spettro che è praticamente una linea retta in questa figura. Dal momento che nella figura è rappresentato il logaritmo del flusso di particelle in funzione del logaritmo dell'energia delle particelle, lo spettro è in realtà una legge di potenza in energia: F(E) ~E-p.
  • Da un esame più attento, si nota che ci sono interruzioni della legge di potenza, per esempio vicino a 3x1015 eV (questo è chiamato “Knee”, il "ginocchio", dello spettro dei raggi cosmici) e vicino a 1020 eV (“ankle”, la caviglia "). Queste caratteristiche probabilmente distinguono i raggi cosmici di origine diversa. Si ritiene che i protoni ad energie ben al di sopra di 1015 eV e gli ioni sopra 1018 eV provengano dal fuori della nostra Galassia.



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