Come rivelare i raggi cosmici con una TV

I raggi cosmici sono particelle di alta energia che arrivano sulla Terra dallo spazio. Quando i raggi cosmici entrano nell’atmosfera terrestre, collidono con le molecole dell’aria producendo una cascata di particelle più leggere, i raggi cosmici secondari. In questo articolo vedremo come possiamo visualizzare i raggi cosmici con l’ausilio di un vecchio televisore e di una telecamera del costo di pochi euro. Accenneremo anche a un’interessante variante, che prevede invece l’uso di una fotocamera digitale con obiettivo removibile per registrare, con opportuni settaggi, le tracce degli sciami di raggi cosmici.

I raggi cosmici furono scoperti nei primi anni del 1900 da Wolf, Pacini, Hess e Millikan, che effettuarono ricerche approfondite sulle radiazioni ionizzanti usando elettrometri schermati, che misurano la carica elettrica su una lastra metallica o su una palla.

Essi mostrarono che le radiazioni ionizzanti erano presenti sottoterra e sott’acqua, che i suoi livelli erano molto più alti a quote più elevate e che i livelli variavano a latitudini diverse sulla superficie terrestre. I risultati hanno suggerito che questa radiazione ha origine nello spazio ed è composta da particelle cariche che sono influenzate dal campo magnetico terrestre.

Quasi il 90% delle particelle costituenti i raggi cosmici sono semplici protoni, il 10% sono nuclei di elio e il restante <1% sono altre particelle: elettroni (detti anche “particelle Beta”) e fotoni di raggi gamma. Il termine “raggi” è dunque fuorviante, poiché le particelle cosmiche arrivano individualmente sul nostro pianeta, non sotto forma di raggi o di fasci di particelle. La varietà di energia mostrata dalle diverse particelle costituenti i raggi cosmici riflette l’ampia varietà delle loro sorgenti.

L’origine di queste particelle va dai processi energetici che si svolgono nel Sole a eventi ancora sconosciuti che avvengono nelle zone più remote dell’universo visibile. I raggi cosmici hanno energie superiori a 1020 eV (elettronvolt), ben superiori ai 1013 eV prodotti dagli acceleratori di particelle creati dall’uomo. L’estrema energia di questa radiazione è stata dimostrata dal fatto che penetra senza attenuazione significativa agli elettrometri racchiusi in contenitori di metallo spesso.

I raggi cosmici secondari: i muoni

Quando i raggi cosmici primari entrano nell’atmosfera terrestre, entrano in collisione con gli atomi e le molecole nell’aria con conseguente produzione di raggi cosmici secondari: piogge di frammenti subatomici ad alta energia ma più leggeri – dette “sciami” e comprendenti isotopi instabili come il Carbonio-14 – che a loro volta decadono in altre particelle e raggi gamma (cioè fotoni).

Un tipico sciame di raggi cosmici con i suoi prodotti secondari, fra cui i muoni.

Sulla superficie terrestre, le particelle secondarie più comuni sono i muoni, particelle con carica negativa simili agli elettroni, ma con una massa a riposo 207 volte maggiore. Si pensa che i muoni siano generati con l’energia media di 6 GeV (6 miliardi di eV) ad un’altitudine di 15.000 metri. Solo il 3% dei raggi cosmici che arrivano sulla superficie della Terra sono raggi cosmici primari.

I muoni interagiscono molto poco fisicamente con la materia ordinaria ma, poiché portano una carica negativa, perdono energia ionizzando gli atomi nei pressi dei quali passano. Più lungo è il percorso attraverso un materiale, maggiore è la perdita di energia. A livello del mare, dove costituiscono circa metà della radiazione di fondo naturale, l’energia media dei muoni è di circa 4 GeV.

I muoni sono particelle elementari instabili con un’emivita di 2,2 μs (microsecondi). Ciò significa che ogni 2,2 milionesimi di secondo metà di tutti i muoni decadono spontaneamente in particelle più stabili. Durante quel tempo la luce copre solo 660 metri. Alcuni muoni decadono in elettroni, neutrini e antineutrini, mentre altri possono ricongiungersi alla materia catturandola in orbite molto strette attorno ai nuclei atomici dove si combinano con un protone per produrre un neutrone e un neutrino.

Praticamente nessun muone sopravviverebbe abbastanza a lungo da percorrere il viaggio di 15.000 metri attraverso l’atmosfera terrestre se non fosse per gli effetti relativistici della dilatazione del tempo. A causa della loro velocità, che è vicina alla velocità della luce, il tempo su un muone passa circa 40 volte più lentamente che nel nostro sistema di riferimento, e la sua emivita è proporzionalmente più lunga. Ciò gli consente una vita sufficiente per viaggiare attraverso l’atmosfera.

Rivelazione con una telecamera CCD

I raggi cosmici secondari che arrivano fin qui sulla superficie terrestre sono responsabili di una parte delle scariche statiche – cioè del caratteristico “effetto neve” – visibili sullo schermo di un qualsiasi televisore quando non è sintonizzato su un canale televisivo.

Infatti, i muoni possono essere rilevati dai fisici con camere a nebbia, contatori Geiger e rilevatori a scintillazione, ma possono anche essere evidenziati o registrati da uno scienziato dilettante con dei comuni chip CCD e CMOS, come ad esempio quelli usati nelle piccole telecamere vendute sfuse sui siti di elettronica e quelli utilizzati nelle fotocamere digitali.

Il flusso di muoni sulla superficie della Terra è in media di circa 1 particella per centimetro quadrato al minuto. Se dunque superficie del sensore è dell’ordine di 3 centimetri quadrati, come nel caso di una fotocamera, possiamo aspettarci in media che 3 muoni colpiscano il sensore durante un’esposizione di 1 minuto; meno se, al posto della fotocamera, usiamo una piccola telecamera.

In effetti, è possibili rivelarli in modo assolutamente più diretto sullo schermo di un televisore di vecchia generazione (cioè con tubo catodico, non digitale) utilizzando un metodo descritto dal noto giornalista scientifico Franco Foresta Martin nel suo libro Dall’atomo al cosmo, e mostratomi personalmente nel 2003 con una dimostrazione che mi lasciò a bocca aperta.

L’esperimento qui illustrato mi fu suggerito dal divulgatore scientifico Franco Foresta Martin.

Inoltre, è possibile usare l’apparato che descriveremo anche per rivelare visivamente gli effetti prodotti da particelle espulse da sostanze leggermente radioattive, come quelle presenti sui vecchi orologi.

Il materiale occorrente per l’esperienza è il seguente:

  • Un televisore a raggi catodici con presa di ingresso video
  • Una piccola telecamera B/N (vedi la sezione successiva)
  • Un cavo di collegamento tra la telecamera e il televisore
  • Fogli di carta stagnola e lamine di metallo di vario spessore
  • Un orologio della prima metà del ‘900, con numeri e lancette luminescenti

Non tutte le telecamere risultano adatte per questo esperimento, ma devono avere alcuni particolari requisiti, tra cui:

  • Devono avere l’obiettivo rimuovibile
  • Devono avere un sensore di tipo CCD (Charge Coupled Device)

Una tipica telecamerina CCD venduta montata su circuito stampato pronta all’uso.

Infatti, esistono telecamere con sensori CMOS (Complementary Metal Oxide Semicoductor), i quali sono meno sensibili alla luce di quelli CCD e, soprattutto, utilizzano una tecnologia completamente differente. Di solito, le telecamere da usare per questo esperimento sono le piccole ed economiche telecamere B/N montate direttamente su circuiti stampati. Vanno bene anche le CCD usate dagli astrofili.

Uso dell’apparato per alcune esperienze

A questo punto siamo pronti per procedere con l’esperienza. Porre quindi il televisore in una stanza in cui sia possibile oscurare totalmente la luce, dopodichè sintonizzare il televisore sul canale AV e collegarlo alla telecamera accesa, alla quale avremo tolto l’obiettivo esponendo a vista il suo sensore. Lo schermo tv apparirà quindi bianco a causa della luce raccolta.

Successivamente, creiamo il buio nella stanza. A questo punto, lo schermo del televisore mostrerà l’effetto neve dovuto al “rumore di fondo” del sensore della telecamera. Occorre quindi ridurre la lumiosità del televisore e agire sul contrasto finché il brulichìo dei puntini scompare e lo schermo diventa quasi nero.

Come apparirà lo schermo del televisore quando il sensore verrà colpito da un muone.

Realizzata questa condizione, di tanto in tanto si vedrà apparire per un istante sullo schermo un puntino luminoso più grande e appariscente: è la “firma” di un raggio cosmico secondario che ha colpito il sensore. In media, se ne vedrà non più di uno al minuto, per cui occorre una paziente e prolungata osservazione.

Ma l’apparato può essere usato anche per rivelare la radioattività. Avvicinando al sensore un vecchio orologio con le cifre luminescenti per la presenza di piccole quantità di materiale radioattivo, si potranno vedere i puntini luminosi di intensa luce bianca – questa volta prodotti dall’interazione con il sensore delle particelle emesse dal materiale debolmente radioattivo presente sull’orologio – in numero maggiore: circa una decina al minuto.

Se si scherma a questo punto la telecamera avvolgendola con un foglio di carta stagnola, si noterà una diminuzione della frequenza con cui appaiono i punti luminosi, poiché questa agisce da schermo per le particelle. Frapponendo tra l’orologio e il sensore delle lastre sempre più spesse di metallo, oppure delle monete, la frequenza diminuisce sempre più.

Possibili varianti: rivelazione con fotocamere

Su Internet troverete alcuni esempi di come usare una fotocamera digitale per registrare i raggi cosmici, dopo aver rimosso l’obiettivo ed aver impostato l’apparecchio su esposizioni lunghe, risoluzione massima, riduzione del rumore e sensibilità ISO 1600 (sensibilità più elevate provocano troppi disturbi termici, mentre una minore sensibilità porta a tracce di muoni meno caratteristiche).

Si noti che, pur attivando la riduzione del rumore, alcuni pixel isolati difettosi o “caldi” possono ancora apparire sulle foto a lunga esposizione con impostazioni di sensibilità elevata. Tuttavia, è statisticamente estremamente improbabile che vari pixel difettosi appaiano in un cluster o in una fila, adiacenti l’uno all’altro, producendo falsi positivi.

Poiché la maggior parte dei raggi cosmici arriva ad angoli alti rispetto l’orizzonte, la telecamera è posizionata sul dorso, in modo che il sensore CMOS sia orizzontale ed esposto al massimo al flusso dei raggi cosmici. La durata dell’esposizione deve essere compresa tra 1 e 3 minuti. Le esposizioni più lunghe provocano più rumore termico. Esposizioni più brevi hanno meno probabilità di catturare raggi cosmici.

Le immagini, che appaiono completamente nere a basso ingrandimento, vanno ingrandite di circa 5x (con circa il 20% di ritaglio) con un software di elaborazione delle immagini, scansionate lentamente ed esaminate per cercare eventuali “punti”, “cluster” e “strisce”. Questi vanno ulteriormente ingranditi per rivelare percorsi di muoni (v. figura).

Strisciata prodotta da una particella cosmica secondaria su una fotocamera digitale.

I “grappoli” di pixel illuminati sono causati dai muoni che colpiscono il sensore ad angoli alti, mentre le “strisce” sono create dai muoni che lo colpiscono ad angoli più bassi. Non vi è alcuna sicurezza statistica sul fatto che i singoli pixel illuminati isolati siano causati da collisioni di muoni piuttosto che da pixel CMOS difettosi o punti “caldi”. Pertanto, i pixel illuminati isolati dovrebbero venire esclusi dal conteggio dei muoni.

La fotocamera può essere posizionata verticalmente, con il sensore in posizione verticale, per avere più “strisce”, ma rivelerà un minor numero di sciami di muoni. Se si copre la macchina fotografica con un vaso metallico spesso, ciò non dovrebbe comportare la diminuzione del flusso dei muoni, poiché i muoni passano facilmente attraverso la materia.

È ragionevole presumere che il numero totale di pixel illuminati in un “ammasso” o in una “striscia” sia proporzionale al livello di energia del muone incidente. Con i dati di un gran numero di sciami di muoni, è possibile disegnare un istogramma con il numero di pixel illuminati sull’asse X e il numero di sciami di muoni sull’asse Y. Un tale istogramma rifletterebbe la distribuzione dell’energia dei muoni nelle condizioni sperimentali date.

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