Come identificare le tracce di particelle

La fisica nucleare non è un hobby pericoloso: vi sono atomi di sostanze radioattive dappertutto, perfino nell’aria che respiriamo, e miriadi di particelle elementari ad elevata velocità sfrecciano ogni secondo attraverso il nostro corpo. La maggior parte di esse è rappresentata da protoni, ossia atomi di idrogeno a cui è stato tolto l’elettrone periferico, a seguito di un urto con qualche raggio cosmico. In questo articolo vedremo come possiamo identificare tali particelle, responsabili delle tracce di nebbia lasciate nei rivelatori autocostruiti, come le camere a nebbia a diffusione o ad espansione.

L’osservazione di tali particelle non rappresenta alcunché di pericoloso, in quanto si riduce all’osservazione di un sottile filo di vapore formatosi, in condizioni speciali, lungo la linea del loro percorso. Tale osservazione è effettuabile tramite una “camera a nebbia a diffusione” autocostruibile in modo semplice e con poca spesa (si veda, a riguardo, il nostro articolo Come costruire una camera a nebbia), o tramite una camera a nebbia a espansione, più simile a quella inventata da Charles T.R. Wilson nel 1899.

In pratica, ad intervalli di alcuni secondi, una netta – seppur provvisoria – traccia di vapore apparirà in prossimità del fondo del recipiente, ovviamente nel suo interno: la maggior parte di queste tracce sono prodotte dalle particelle subatomiche espulse continuamente dalle sostanza radioattive che, pur in tracce piccolissime, si trovano dappertutto; oppure sono determinate dai frammenti degli atomi di gas che compongono l’aria, colpiti dai raggi cosmici, di cui è nota l’elevata energia.

I possibili tipi di tracce di particelle

Molti tipi diversi di particelle elementari potrebbero dunque passare attraverso la camera a nebbia. All’inizio, potrebbero essere difficili da vedere e riconoscere, ma con un po’ di pazienza e applicazione puoi effettivamente distinguere i vari tipi di particelle in base alle tracce da esse lasciate. Per facilitarti il compito, ecco di seguito alcuni esempi delle diverse tracce che potresti osservare nella tua camera a nebbia circa 15 minuti dopo aver reso operativo l’apparato rivelatore:

Tracce corte e grasse (particelle alfa)

Mi dispiace, ma non si tratta di un raggio cosmico. Quando vedi tracce corte e grasse, stai vedendo un atomo di radon atmosferico che “sputa” fuori una particella alfa (ovvero un nucleo di elio composto di due protoni e due neutroni). Il radon è un elemento radioattivo presente in natura, ma esiste in concentrazioni così basse nell’aria che è meno radioattivo del burro di arachidi. Le particelle alfa sputate dagli atomi di radon sono voluminose ed a bassa energia, quindi lasciano tracce corte e grasse.

Traccia lunga e dritta (muoni)

Complimenti! Hai rivelato dei muoni! I muoni sono i cugini più pesanti dell’elettrone e vengono prodotti quando un raggio cosmico si scontra con una molecola atmosferica nelle zone più alte dell’atmosfera terrestre. Poiché sono così massicci, i muoni percorrono tranquillamente la loro strada attraverso l’aria e lasciano delle tracce pulite e dritte nel vostro rivelatore di particelle.

Zig-zag e riccioli (elettroni e positroni)

Se la tua traccia sembra un po’ il percorso di un turista perdutosi in una città straniera, stai guardando un elettrone o un positrone (il gemello nell’anti-materia dell’elettrone, dotato di carica positiva, mentre l’elettrone è dotato di carica negativa). Elettroni e positroni vengono creati quando un raggio cosmico si schianta contro le molecole atmosferiche. Gli elettroni ed i positroni sono particelle leggere e rimbalzano quando colpiscono le molecole d’aria, lasciando zig-zag e riccioli.

Tracce biforcate (decadimento di particelle)

Se la tua traccia si divide in due – ovvero appare come biforcata – congratulazioni! Hai appena osservato un decadimento di particelle. Molte particelle elementari sono instabili e decadono in particelle più stabili. Se la tua traccia improvvisamente si biforca, stai vedendo la fisica in azione. Puoi favorire il fenomeno ponendo attaccata alla parete della camera a nebbia, o meglio ancora al suo interno, una sorgente debolmente radioattiva (che potresti avere anche in casa).

Applicazione di un campo magnetico

Una volta che abbia assunto la necessaria padronanza nell’utilizzo della camera a nebbia, lo sperimentatore dilettante può pensare ad un’ulteriore evoluzione di questa, applicandole un campo magnetico uniforme verticale attraverso di essa.

Infatti, una camera a nebbia priva di un campo può essere qualcosa di simile a una bilancia priva delle graduazioni atte a indicare il peso dell’oggetto che viene posto su di essa: risulta pertanto qualcosa di interessante, ma non certo di utile. Quando, invece, una particella elettricamente carica si muove sul piano perpendicolare rispetto alla direzione delle linee di flusso del campo magnetico, viene contrastata da una forza che devia il moto della particella stessa, incurvandone la traiettoria.

Se, ad esempio, il campo magnetico in questione si sviluppa in una direzione verticale dal basso verso l’alto, e la particella si muove orizzontalmente da est a ovest, si ha una deviazione del moto della particella stessa, con una accelerazione nella direzione nord-sud. Come conseguenza, abbiamo che una particella che entri in un campo magnetico uniforme segue un percorso circolare, come quello illustrato nella figura qui sotto per i raggi beta (elettroni).

I vari possibili tipi di decadimento di una sorgente radioattiva e (in alto a sinistra) la curvatura in un campo magnetico degli elettroni prodotti da una sorgente con decadimento beta.

Il raggio e la direzione (oraria o antioraria) del percorso in questione dipendono sia dal segno della carica elettrica della particella sia dall’intensità di tale carica, nonché dalla massa e dalla velocità possedute dalla particella, ed infine dall’intensità e dalla direzione del campo magnetico che determina la deviazione. Naturalmente, l’origine del percorso è conosciuta quando le particelle subatomiche derivano da un piccolo campione di materiale debolmente radioattivo volutamente introdotto nella camera.

Il campo magnetico uniforme può essere ottenuto ponendo la camera a nebbia fra le due espansioni polari di un elettromagnete da circa 1000 Gauss (0,1 Tesla) autocostruito (noi non ne illustreremo il progetto perché è piuttosto complesso e richiede tensioni pericolose, ma puoi trovare una moderna e semplice alternativa nelle righe che seguono). In tal caso, la camera a nebbia è bene che abbia una apertura trasparente nella parte superiore (v. figura qui sotto). L’intensità del campo magnetico può essere misurata con un opportuno apparecchio – il gaussmetro – acquistabile online.

Camera a nebbia a diffusione munita di campo magnetico prodotto da un’elettrocalamita.

Si noti che, per creare un campo magnetico nella camera a nebbia – sebbene certamente non uniforme come quello ottenibile con un grande elettromagnete circolare – si possono usare dei magneti permanenti opportuni. I magneti al neodimio piccoli e tondi come una moneta non vanno bene. Per creare un campo di circa 0,15 T (ovvero 1500 Gauss), si può usare un magnete al neodimio, da maneggiare con molta cautela, che può avere una dimensione (massima) di circa 16 x 7 cm e uno spessore di  4,5 cm.

Dunque, l’unico modo semplice e pratico per avere un campo magnetico forte all’interno di una camera a nebbia consiste nell’utilizzare magneti alle terre rare. Tuttavia, il problema del mettere qualcosa dentro la camera è che fa condensare il vapore su di esso. Questa condensazione distrugge lo strato sensibile e le tracce vengono rese impossibili da vedere vicino ai magneti. Per questo motivo la curvatura si osserva lontano da essi e potrebbe venire facilmente confusa con il movimento del gas.

Un magnete al neodimio rettangolare e le sue linee di flusso magnetiche. Come si intuisce, andrà usato ponendolo verticalmente dentro o vicino al bordo della camera a nebbia.

Per deviare il percorso delle particelle, ci sfrutta la cosiddetta forza di Lorentz. Qualsiasi particella carica che si muove attraverso un campo magnetico sperimenta questa forza, perpendicolare sia alla direzione del movimento che al campo magnetico. Inoltre, poiché il raggio di curvatura di una particella carica deviata è inversamente proporzionale al campo magnetico (B), è necessario un campo B il più grande possibile.

Traiettorie con il campo magnetico

Se si inserisce la camera a nebbia nel suddetto campo magnetico (più o meno) uniforme, si potrà notare come alcune delle tracce formatesi all’interno della camera presenteranno una sorta di curvatura. In pratica, se il polo superiore del magnete attrae la punta nord di una bussola – indicando così che la direzione del flusso magnetico va dall’espansione inferiore a quella superiore – gli elettroni presenti all’interno della camera seguiranno chiaramente (se la loro energia è inferiore a 1 MeV, come è spesso il caso) un percorso curvo, con direzione contraria a quella delle lancette dell’orologio.

In queste stesse condizioni, invece, le particelle subatomiche relativamente leggere se vettrici di una carica positiva presenteranno una curva in direzione oraria. La direzione nella quale talune delle particelle avanzeranno curvando potrà essere determinata con la semplice osservazione. L’identità di alcune particelle può essere dunque stabilita con l’osservazione delle tracce determinate dai loro percorsi e con l’informazione sulla carica fornita dalla direzione di curvatura nel campo magnetico.

Immaginiamo di stare guardando dall’alto la camera a nebbia con un campo magnetico B ad essa perpendicolare e diretto verso l’alto. Allora la curvatura delle traiettorie delle particelle dipenderà dalla loro carica, dalla loro massa e dalla loro energia.

I raggi alfa (o nuclei di elio, 2 protoni + 2 neutroni) hanno percorsi relativamente corti e danno luogo a tracce molto grosse, a causa della loro notevole massa (circa 8.000 volte quella di un elettrone); e proprio perché sono particelle assai pesanti non vengono deflessi da un campo magnetico da 1000-1500 Gauss. Gli elettroni ed i protoni danno luogo invece a tracce più sottili e più lunghe, e nel campo magnetico suddetto (se hanno bassa energia) curveranno, rispettivamente, in senso antiorario ed orario.

I muoni (chiamati anche mesoni, per la loro massa intermedia fra elettroni e protoni: sono 207 volte più pesanti degli elettroni) di solito sono particelle di energia così elevata che il loro percorso non viene influenzato in maniera sensibile dal campo magnetico da 1000-1500 Gauss che avremo applicato all’interno della camera a nebbia. Per questo, i filamenti – o tracce che dir si voglia – prodotti da tali particelle (a meno che non abbiano bassa energia) saranno sottili e relativamente dritti.

Il campo magnetico è utile anche per rilevare il processo di “annichilazione” dei gamma (con creazione di una coppia particella-antiparticella). Senza campo magnetico, è impossibile dire che stiamo osservando 2 particelle con carica opposta. Il processo di creazione della coppia si verifica solo quando l’energia del raggio gamma è di 1,02 MeV, e le radiazioni cosmiche forniranno questa energia. L’immagine qui in basso, scattata in una camera a nebbia, mostra come appare la creazione di una coppia.

Il processo della produzione di coppie e+e- e come appare nella camera a nebbia.

Si noti che le particelle perdono energia mentre passano attraverso la materia, e potremmo quindi sfruttare ciò per influenzare le loro traiettorie con il magnete. Infatti, il raggio di circonferenza (r) “disegnato” dalle particelle cariche che si muovono sul piano perpendicolare al campo magnetico è dato da:

dove v è la velocità della particella, q la sua carica e B è l’intensità del campo magnetico. Quindi il raggio è direttamente proporzionale alla velocità delle particelle. Pertanto, se vogliamo cercare di deviare le particelle più energetiche, dovremmo rallentarle. Ciò si può fare ponendo un film sottile di materiale verticalmente a metà della camera (o davanti a un campione radioattivo). Ovviamente, materiali diversi e di diverso spessore attenuano la radiazione a velocità diverse.

Qualità delle tracce e relative foto

Lo sperimentatore che utilizza una camera a nebbia è interessato alla forma ed alle dimensioni delle tracce di vapore lasciate dalle particelle che la attraversano, dato che queste tracce possono fornirgli degli elementi validi per identificare le particelle subatomiche che le hanno determinate.

Pertanto, è importante minimizzare le correnti di convezione esistenti all’interno della camera a nebbia – che tenderebbero a distorcere i filamenti – filtrando ed intercettando il maggior quantitativo di radiazione termica presente nel fascio illuminante, se si utilizza un potente lampada di un proiettore. Un buon filtro si può ad esempio realizzare facendo passare il raggio attraverso le pareti parallele di un piccolo acquario di forma rettangolare, riempito di acqua. La maggior parte dei proiettori possiede invece già degli speciali filtri antitermici, oltre ad un ventilatore, per abbassare la temperatura dell’ambiente.

Con certi tipi di illuminazione della camera a nebbia, sarà necessario usare in filtro termico.

Possono essere talvolta necessari, per un’adeguata illuminazione – specie per l’esecuzione di foto o filmati – una coppia di lampadine per proiettore, invece che una sola. Di solito, comunque, le tracce possono essere meglio osservate e fotografate da un angolo di circa 120° rispetto alla linea di provenienza dei fasci di luce, ciascuno dei quali spaziati, poi, di circa 120° dal finestrino di osservazione.

Le fotografie possono essere eseguite economicamente con una macchina fotografica digitale con un’ottica di luminosità compresa fra f/3.5 e f/8, con velocità di otturatore compresa fra 1/10 e 1/100 di secondo. Quando si ha un livello relativamente basso della luce di illuminazione, si può attuare un procedimento di forzatura in fase di elaborazione dell’immagine con un programma come Photoshop o similari: ad esempio, aumentando la luminosità dell’immagine e, di circa il doppio, il suo contrasto.

È interessante analizzare le fotografie riprese alla camera a nebbia posta in un campo magnetico (di intensità possibilmente regolabile) esaminando le varie tracce registrate e cercando di calcolare la velocità delle particelle che hanno determinato ciascuna di queste tracce (con un’opportuna ipotesi sulla massa e sulla carica delle particelle in questione). Per eseguire le foto, come accennato in precedenza, è necessario che la camera a nebbia abbia un’apertura trasparente nella parte superiore.

Puoi realizzare una camera a nebbia composta per lo più in lamiera metallica. Una parte inferiore può ospitare il ghiaccio secco, ovvero il refrigerante, e fungere da base per il compartimento superiore, che è la camera a nebbia vera e propria. La parte superiore della camera può essere chiusa da un coperchio che consiste di due anelli concentrici e di un disco di vetro perfettamente trasparente.

Camera a nebbia adattata per fare foto ed essere posta fra due magneti.

Tali anelli hanno la doppia funzione di trattenere il disco di vetro e di sostenere un (eventuale) altro anello di rame, elettricamente isolato, che funge da elettrodo per l’applicazione alla camera di un campo elettrico per l’eliminazione delle tracce indesiderabili o già osservate. Tale sistema di anelli accoglie anche, naturalmente, il tampone di feltro imbevuto di alcool isopropilico, dal quale questo alcool evapora lentamente quando la camera viene messa in funzione.

In una diversa disposizione, la parete della camera può essere foderata con una striscia di carta assorbente avente un’estremità immersa, a pescare in una piccola vasca piena di alcool isopropilico, posta al fondo della camera. In queste condizioni, l’alcool viene assorbito attraverso la carta, per effetto di capillarità, dopodiché evapora dalla superficie della carta stessa, e infine si condensa di nuovo, e per la maggior parte rientra nella vaschetta inferiore, dalla quale riprende il circolo.

La camera a nebbia potrà poi essere sostenuta, nello spazio fra le espansioni dell’eventuale elettromagnete di cui si vorrà dotarla, per mezzo di una piattaforma di legno, ovviamente non necessaria nel caso si utilizzi invece un magnete di tipo permanente. Potrebbe, infine, rendersi necessaria una staffa metallica destinata a sostenere in linea con la finestra di vetro superiore, la macchina fotografica (o un’eventuale telecamera o webcam) per la ripresa delle immagini delle tracce.

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