Osservare i raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle di alta energia che provengono dallo spazio che, urtando con i nuclei dell’atmosfera, danno origine a numerose nuove particelle che si propagano verso la Terra decadendo, cioè trasformandosi in altre particelle, man mano che procedono nella loro corsa. La produzione di nuove particelle è un fenomeno quantistico reso possibile dalla relatività, secondo la quale l’energia dell’urto può trasformarsi in materia secondo la relazione di Einstein E=mc2. L’urto tra i raggi cosmici (che per la maggior parte sono fatti di protoni) e i nuclei degli atomi dei gas che compongono l’atmosfera, produce in prevalenza pioni (π) carichi e neutri. Propagandosi verso terra, i pioni carichi si trasformano spontaneamente in un muone (μ) e un neutrino; quelli neutri in due fotoni. I muoni arrivano numerosi a livello del mare. Se ne osservano circa 100 per metro quadro al secondo. I fotoni producono coppie di elettroni e positroni che danno poi origine a sciami estesi di fotoni, elettroni e positroni.

Quando una particella ionizzante attraversa un diodo al silicio, libera alcune delle cariche presenti nel mezzo. Se il diodo è polarizzato le cariche liberate migrano in direzione del campo elettrico prodotto all’interno del volume del silicio producendo una corrente elettrica che si può misurare.

Cosí funzionano i sensori delle fotocamere digitali e degli smartphone. Il sensore è costituito di una matrice di diodi (pixel), ciascuno dei quali, una volta colpito dai fotoni di cui è composta la luce, produce un segnale elettrico misurabile proporzionale all’intensità della luce. In questa maniera si ricostruisce l’immagine.

Lo stesso fenomeno si può sfruttare per osservare i raggi cosmici. Alcune fotocamere hanno la possibilità di mantenere l’otturatore aperto per un tempo indefinito: la posa T. Nella posa T la prima pressione del tasto dell’otturatore apre l’obiettivo e lo lascia in questa posizione fino a quando il tasto non viene premuto nuovamente. In questa maniera si possono fare fotografie con esposizione lunga anche diverse ore. Se la fotocamera è mantenuta al buio con l’obiettivo coperto gli unici segnali che il sensore registrerà saranno quelli delle particelle cosmiche che lo attraversano.

Sotto riporto una porzione ingrandita di una foto eseguita esponendo per sette ore una fotocamera in queste condizioni.

Ognuno dei puntini colorati rappresenta il segnale lasciato da una particella che ha attraversato il sensore. Nelle fotocamere, per ogni pixel ci sono in realtà tre diodi: uno per ogni colore primario. Il colore del pixel che si osserva dipende dal diodo attraversato e parzialmente dall’energia rilasciata in esso. Con un po’ di fortuna si possono anche osservare alcune tracce come quelle che ho evidenziato. Il particolare è riportato sotto ruotato di 90 gradi a sinistra.

La traccia piú lunga sulla destra è stata lasciata da una particella di bassa energia che viaggiava con un un angolo piuttosto piccolo rispetto alla superficie del sensore (che è sottilissimo: alcune decine di micron nella porzione sensibile). Che l’energia sia bassa lo si capisce dal fatto che la traccia è curva. Le particelle cariche seguono traiettorie curve in campo magnetico e il raggio di curvatura è proporzionale alla loro quantità di moto. Nel caso in esame il debole campo magnetico terrestre dev’essere stato capace di curvare la traiettoria della particella in questione abbastanza da renderne visibile la curvatura.

Con questa tecnica si possono fare anche alcune misure. Contando il numero di pixel “accesi”, per esempio, si ha una misura della frequenza di arrivo dei raggi cosmici (o meglio, della porzione di essi che lascia un segnale misurabile nella fotocamera) ed esercizi di statistica, dividendo in porzioni l’immagine e contando il numero di pixel accesi in ciascuna porzione.

Fisica Sperimentale: nuova edizione

Una nuova edizione del mio e-book “Fisica Sperimentale” è ora disponibile alla pagina dei Link. La nuova versione è molto più ampia delle precedenti e contiene praticamente tutto quello che è necessario per un corso di fisica completo (almeno per come lo intendo io). Manca solo un capitolo relativo agli esperimenti per la misura della velocità della luce e all’esperimento di Michelson e Morley e un paragrafo sugli oscillatori forzati, utile per spiegare il funzionamento delle antenne.

Si potrebbe introdurre un capitolo sui fluidi, ma non lo ritengo fondamentale. Il fatto è che il mio corso di fisica è pensato allo scopo di portare lo studente a comprendere di cosa è fatto l’Universo e come funzioni. Per questa ragione è molto diverso dai corsi tradizionali.

Gli argomenti sono presentati in una sequenza diversa e innovativa. L’obiettivo non è quello di trasmettere nozioni di fisica, ma di costruire una visione del mondo a partire dalle osservazioni sperimentali. Partendo dalla misura e quindi dalla definizione operativa del concetto di temperatura, si passa a cercare di capire la natura del calore. Si osserva che gli oggetti si scaldano esponendoli alla luce o se vengono colpiti violentemente da un altro oggetto. Questo porta allo studio delle proprietà della luce e quindi delle onde, da una parte, e a quello del moto dall’altra. Lo studio del moto induce a pensare che i corpi estesi siano formati di particelle più piccole e il modo migliore per studiare sistemi di molte particelle è quello di scegliere insiemi di particelle non interagenti: per questo si studiano le proprietà dei gas dalle quali si arriverà alla formulazione delle leggi della termodinamica. In questo modo il concetto di energia risulta molto più comprensibile e funzionale all’obiettivo che ci poniamo all’inizio. La scoperta dei fenomeni elettromagnetici porterà alla formulazione di ipotesi sulle interazioni cui sono soggette le particelle che costituiscono i corpi e quindi all’identificazione delle prime particelle elementari.

Il libro termina con l’introduzione alla fisica moderna che, grazie all’accorta preparazione fatta durante l’esposizione della fisica classica, non è più presentata come qualcosa di misterioso, ricco di paradossi e assurdità, ma come una naturale estensione dei concetti della fisica classica. Nella prima parte, infatti, s’insiste molto sul concetto di stato e del ruolo che ha la misura in fisica. Questi concetti sono di norma trascurati nei testi tradizionali ed è per questo che la meccanica quantistica o la fisica della relatività paiono “strane“. Se invece si prepara il terreno opportunamente queste parti della fisica moderna appaiono decisamente più “normali” e “naturali“.

Ci sono ancora piccoli aggiustamenti da fare: qualche dato sperimentale mancante, filmati da aggiungere, link da sistemare, etc.. Nella prossima edizione sistemeremo anche questi, insieme agli inevitabili errori che certamente ci saranno e che spero mi segnalerete leggendo le mie note.

Potete contribuire allo sviluppo di questo testo segnalando eventuali errori o proponendo riformulazioni degli argomenti trattati, oppure ancora donando una cifra (piccola, mi raccomando) usando PayPal (leggete la prefazione per sapere perché).

Il testo è disponibile in tre formati: completo, da fruire su un tablet o un computer con filmati incorporati nel testo; light, sempre da fruire su un tablet o un computer, ma con soltanto i link ai filmati (è quindi necessario un collegamento a Internet); da stampare, in formato portrait, evidentemente senza elementi multimediali, ma con tutte le informazioni per raggiungerli attraverso qualsiasi browser. I tre formati sono disponibili a questo indirizzo: http://www.roma1.infn.it/people/organtini/publications/, insieme ad altre risorse.

Fisica Sperimentale: nuova versione disponibile

Grazie al prezioso lavoro di un non piccolo numero di attenti lettori, ho provveduto ad aggiornare i contenuti del mio e-book sulla Fisica Moderna, che è ora disponibile nella versione aggiornata sul mio sito istituzionale www.roma1.infn.it/people/organtini/publications, sempre con licenza Creative Commons.

Nella nuova versione sono stati corretti alcuni refusi e sono stati profondamente modificati i paragrafi relativi al corpo nero. Anche il capitolo nel quale s’illustra il fenomeno dell’aumento della massa nei sistemi di riferimento in moto è stato rivisto per precisare che in realtà tale fenomeno non esiste, se non come un comodo sistema per eseguire semplici stime (che tuttavia può portare a degli errori). In effetti ero stato tentato di sopprimere quelle considerazioni, ma poi mi ero deciso a includerle perché il fenomeno è comunque descritto in molte pubblicazioni e in molti libri di testo.

Ho presentato il testo a un convegno a Catania. I contenuti e sopra tutto l’approccio sono stati molto apprezzati. In quell’occasione è risultato abbastanza chiaro che quello di Fisica Sperimentale è l’approccio corretto: bisogna ricostruire un percorso scolastico che elimini una lunga serie di inutili concetti e che sia profondamente ripensato alla luce della fisica moderna. Il mio collega Marco Giliberti, di Milano, ha fatto giustamente notare che chi dice che la fisica classica ha a che fare con oggetti indipendenti dal formalismo della teoria e per questo reali, dice il falso: le forze ne sono un esempio evidente. Le forze non esistono se non nella visione Newtoniana della Meccanica. Hanno senso solo quando si scrive F=ma. Non hanno alcuna realtà al di fuori di quel paradigma. Se vogliamo che i nostri studenti capiscano la fisica moderna non dobbiamo insegnare loro la fisica classica per poi smontarla! Dobbiamo far scoprire loro la fisica che conosciamo oggi senza doverli stupire con “effetti speciali”, che sono tali solo perché li abbiamo nutriti per anni di concetti sbagliati.

Spero che i miei impegni mi permetteranno, in un futuro non lontano, di completare l’opera di Fisica Sperimentale in questo senso. L’obiettivo è quello di arrivare a un corpus di fenomeni e di leggi fisiche tra loro coerenti, costruito in maniera rigorosa e coerente.

Grazie a chi ha contribuito, con donazioni o con consigli e segnalazioni di errori o imprecisioni.

 

 

Un e-book sulla Fisica Moderna

Sono molti gli insegnanti delle scuole nelle quali faccio i miei seminari che mi chiedono con insistenza materiale didattico per sé e per i loro studenti. Sfortunatamente nel panorama editoriale (anche internazionale) non ci sono, a mio modo di vedere, prodotti adeguati. I testi, infatti, si dividono in due categorie: quelli destinati agli studenti universitari in discipline scientifiche, troppo specialistici, e quelli destinati al grande pubblico, eccessivamente banali.

Gli studenti bravi trovano questi ultimi interessanti, ma per certi versi deludenti, perché abituati a studiare la fisica in un certo modo, hanno l’impressione che gli si stia nascondendo qualcosa o che gli si stia raccontando una favoletta.

Allora ho pensato di colmare questo vuoto realizzando un prodotto che credo innovativo sotto molti aspetti: nelle modalità di distribuzione (gratuito e libero con licenza Creative Commons), nei contenuti e nel linguaggio (pensati per insegnanti e studenti volenterosi, ma adatti anche a studenti meno preparati, che possono saltare le parti piú formali), e nella tecnologia (quasi tutta Open Source, con filmati embedded nel testo, che è cosí adatto a essere sfogliato su un computer o su un tablet).

Ieri ne ho rilasciato la prima versione pubblica in due formati: il landscape è il formato preferito, che consente di leggere il volume sullo schermo di un dispositivo avendo accesso ai filmati e ai link di ipertesto; il portrait per coloro che amano la carta e desiderano averne una versione stampata (si perde la funzionalità dei filmati e dell’ipertesto, ma si può comunque accedere ai primi attraverso i link che sono sempre riportati in calce agli spazi predisposti per i filmati).

Potete scaricare entrambe le versioni all’indirizzo http://www.roma1.infn.it/people/organtini/publications. Si tratta, come detto, di una prima versione e come tale potrebbe contenere errori (tipografici, di fisica e di calcolo). Non ne garantisco la totale correttezza, per quanto abbia fatto il possibile. Se ne trovate, segnalatemeli. Sentitevi liberi di distribuire i link a chi vi pare.

Terminato il corso di aggiornamento in Fisica Moderna

Con l’incontro di oggi si è chiuso il ciclo per l’aggiornamento degli insegnanti del Liceo Vitruvio Pollione di Avezzano sulla Fisica Moderna. Negli incontri abbiamo parlato di fisica relativistica, di meccanica quantistica e di fisica delle particelle.

Per ogni argomento siamo partiti dalle osservazioni sperimentali e da queste abbiamo ricavato le Leggi fisiche che riguardano i sistemi in moto relativo (relatività ristretta), il campo gravitazionale (relatività generale), i sistemi microscopici (meccanica quantistica) e le forze fondamentali (fisica delle particelle). Abbiamo condito tutto con esperienze tratte dal quotidiano (o quasi): i navigatori GPS per la fisica relativistica; i microscopi elettronici, le celle fotovoltaiche, i sensori per le macchine fotografiche e gli altri apparecchi elettronici per la meccanica quantistica. Per la fisica delle particelle abbiamo visto come, a partire dallo studio della scarica degli elettroscopi, nasce il modello a quark e perché pensiamo che le interazioni procedano attraverso lo scambio di particelle mediatrici delle forze. Abbiamo anche discusso il meccanismo di Higgs che fornisce la massa alle particelle, illustrandolo con un semplice sistema classico (una carica elettrica in un condensatore).

Ho distribuito agli insegnanti una versione preliminare dei miei appunti sulla Fisica Moderna che conto di rendere pubblici tra qualche settimana.

La costruzione di una Cloud Chamber al Virgilio

DSC_0011

La costruzione di una Cloud Chamber al Virgilio (clicca per vedere la photogallery)

Gli studenti del Liceo Virgilio di Roma hanno partecipato a un’attività di formazione che si è conclusa con la costruzione di due fantastiche camere a nebbia (cloud chambers, in inglese), con le quali abbiamo potuto osservare il passaggio dei raggi cosmici.DSC_1264DSC_1309

Gli studenti, diretti dalle insegnanti Giansanti e Sidoretti, sono stati bravissimi: hanno costruito la camera e realizzato un seminario nel corso del quale hanno illustrato ai loro compagni, ai genitori e agli altri insegnanti, la storia dei raggi cosmici e le fasi della costruzione dello strumento. Hanno quindi mostrato a tutti le tracce dei raggi cosmici che si potevano osservare in questi strumenti, che hanno funzionato alla grande. Bravi!