Altre tecniche

• Rivelatori di muoni
  
• Misure sotterranee di muoni
  
• Rivelatori di sciami estesi
  
• Rivelatori di Cherenkov
  
• Rivelatori su palloni sonda
  
• Ulteriori letture
  

Rivelatori di muoni

I rivelatori di muoni misurano la componente muonica della “cascata” atmosferica innescata dai nucleoni dei raggi cosmici primari (RC). E’ importante osservare che soltanto quelli con energia superiore a 4 GeV riescono a generare muoni in grado di penetrare attraverso l’atmosfera. La misura di muoni può essere realizzata con contatori Geiger-Müller o con contatori a scintillazione. I contatori Geiger-Müller richiedono alte tensioni, capaci di creare un campo elettrico molto elevato intorno all’anodo del contatore. Quando una particella RC entra nel contatore strappa alcuni elettroni dal gas di riempimento e dalla parete interna del contatore stesso. Questi elettroni sono accelerati verso il filo carico positivamente (anodo) ed acquisiscono energia sufficiente a strappare ulteriori elettroni dalle molecole del gas. Anche questi elettroni subiscono un’accelerazione e ne strappano altri e così via. La valanga elettrica che si genera, costituita da più di un bilione di cariche negative, investe l’anodo provocando una corrente che viene misurata da un semplice circuito elettrico che correda il contatore.

Il contatore Geiger-Müller e omnidirezionale e non permette di identificare la direzione di arrivo di una data famiglia di particelle. Per questo motivo si assemblano più contatori in una struttura a più piani. Questa geometria, unitamente all’uso di tecniche di coincidenza (analisi di impulsi contemporanei all’uscita di due o più tubi), permette di condurre esperimenti più sofisticati come discriminare i muoni e la loro direzione di incidenza. Questa tecnica consente, inoltre, di escludere dalla misura il contributo della radiazione terrestre.

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Misure sotterranee di muoni

La parte altamente energetica della componente muonica è studiata con rivelatori sotterranei. Questi rivelatori sfruttano le elevate capacità di penetrazione della materia, di cui sono dotati i muoni, per poterli distinguere facilmente dalle altre componenti dei RC (neutrini a parte). I rivelatori sotterranei di muoni possono essere costituiti da un singolo contatore o da un rivelatore compatto a più contatori. Anche i neutrini atmosferici solari e cosmici possono essere studiati in laboratori sotterranei, ma in questo caso sono necessari rivelatori ben più estesi per compensare la ridotta sezione d’urto dei neutrini.

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Rivelatori per sciami estesi

Gli sciami atmosferici estesi sono misurati per mezzo di diversi tipi di rivelatori di particelle. I più comuni sono i contatori a scintillazione che permettono di determinarne il tempo di arrivo con un’alta precisione. Altri strumenti utilizzati sono i telescopi Cherenkov ad acqua, le drift chambers, i rivelatori del tipo tubo “streamer” e Geiger-Müller. Per determinare la direzione di incidenza delle particelle è necessario utilizzare dei rivelatori sensibili alla posizione.

Per determinare le coincidenze, nello studio di sciami atmosferici estesi, è necessario allestire una rete di decine o centinaia di rivelatori posizionati a distanze tra i 10 e i 30 metri. Per gli sciami più estesi, con bilioni di particelle, i rivelatori sono posizionati tipicamente in una rete con maglie di un chilometro. Pertanto un sistema di rivelazione per sciami estesi ha dimensioni complessive che variano tra le centinaia di metri fino alle decine di chilometri. Questi sistemi permettono di studiare i raggi cosmici primari con energie di 10¹²-10²¹ eV.

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Telescopi Cherenkov

Gli elettroni ed i positroni relativistici prodotti nella cascata atmosferica generano una emissione Cherenkov, nell’intervallo della luce visibile, quando si propagano ad una velocità superiore a quella della luce stessa in quel determinato mezzo. I telescopi Cherenkov misurano I fotoni prodotti in enormi contenitori di liquido (normalmente acqua purissima) e raccolti da un elevato numero di fotomoltiplicatori. Questi telescopi sono utilizzati anche per lo studio dei neutrini (per esempio: Deep Underwater Muon And Neutrino Detector (DUMAND)) or in ice (e.g. IceCube Neutrino Observatory or Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA)).

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Palloni sonda

I primi palloni sonda trasportavano piccoli e semplici rivelatori, oggi sui palloni volano, ad altezze di 40 - 70 Km, anche grandi e complessi telescopi come il BESS (Balloon Borne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer). A grandi altezze l’effetto dell’atmosfera al di sopra del rivelatore a bordo del pallone è quasi trascurabile per i raggi cosmici, quindi lo strumento è in grado di osservare direttamente le particelle dei RC primari. In questo senso i palloni che possono essere considerati come satelliti a orbita bassa, con il vantaggio di essere molto più economici e facilmente gestibili.

Un significativo effetto per le misure effettuate sui palloni è dato dalla variazione della soglia di rigidità geomagnetica. Inoltre, dai rivelatori sui palloni è misurato anche l’albedo atmosferico (particelle riflesse o disperse nello Spazio dall’atmosfera) che pertanto deve essere tenuto in conto. Il principale limite degli esperimenti sui palloni dipende dal fatto che le osservazioni sono da considerarsi comunque come campagne di misura in cui gli esperimenti operano per periodi limitati di tempo.

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Ulteriori letture

M.L. Duldig, ``Muon observations'', Space Science Reviews, vol. 93, pp. 207-226, 2000
http://www.pas.rochester.edu/pavone/particle-www/telescopes/index.html

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