Raggi cosmici

Da oltre 50 anni è noto che la Terra è perennemente esposta ad una radiazione naturale proveniente dal cosmo, detta appunto radiazione cosmica.

Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni; tuttavia anche elettroni, particelle α, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria fanno parte dei raggi cosmici primari. Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così, in un processo a cascata (vedi figura), nuove particelle proiettate in avanti.

La radiazione secondaria al livello del mare è costituita da due componenti (molle e dura) che hanno diverso comportamento nell'attraversamento di mezzi molto densi (ferro, piombo, …).

La componente molle (circa il 30% della radiazione secondaria), composta da elettroni e fotoni ed in minima parte da protoni, kaoni e nuclei, è capace di attraversare solo pochi centimetri di assorbitore. La componente dura (circa il 70%), composta da muoni, riesce a penetrare spessori maggiori di 1 metro.

Il flusso medio delle particelle che compongono la radiazione, vale a dire il numero di particelle che nell'unità di tempo, nell'unità di angolo solido e nell'unità di superficie raggiungono il livello del mare, è stimato

E' noto poi che i raggi cosmici hanno una distribuzione angolare rispetto alla normale alla superficie della Terra descrivibile da una funzione

f (θ) = k cos2 θ

Le particelle che compongono la radiazione sono molto energetiche. Si stima che il flusso medio a livello del mare abbia un'energia media di 2 GeV e che lo spettro differenziale vada come E-2.

Il leptone μ è una particella elementare a spin 1/2, massa (105,658389 ± 0,000034) MeV (circa duecento volte la massa dell'elettrone), e vita media τμ = (2,19703 ± 0,00004) μ s.

Esiste in due stati di carica (positiva e negativa) e sperimenta, come tutti i leptoni, due tipi di interazione, oltre quella gravitazionale: l'interazione elettromagnetica e debole.

Come detto in premessa, i μ sono prodotti in alta atmosfera principalmente dal decadimento di π carichi:

Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno di dilatazione temporale riescono a giungere al livello del mare, dove si osserva che i μ+ sono circa il 20% in più dei μ-.

Se si fa incidere dei μ su un assorbitore sufficientemente spesso, essi, per effetto delle interazioni elettromagnetiche con gli elettroni del mezzo, subiscono un processo di frenamento sino alla termalizzazione.

Si dimostra che, se l'assorbitore usato è denso (numero atomico Z>11) i μ- sono in prevalenza catturati dai nuclei atomici con emissione di neutrini:

mentre i μ+ decadono spontaneamente secondo la reazione

Se il numero atomico del materiale è inferiore a 11 anche per il μ- il processo più probabile è il decadimento secondo la reazione

Raggi cosmici ultraenergetici

Uno dei misteri più oscuri della cosmologia moderna sono i raggi cosmici con energie dell'ordine di , ossia la quantità di energia di una palla da baseball colpita da un professionista del fuoricampo concentrata in una sola particella, solitamente un protone. Per contro, la massa a riposo del protone è circa . Queste particelle hanno una velocità meno di una parte su inferiore alla velocità della luce, e a causa dell'assorbimento dovuto al fondo di microonde che le frenerebbe, dovrebbero avere un'origine entro 200 milioni di anni luce da noi. Tuttavia, non si conosce alcun oggetto in grado di generare questi raggi all'interno di questo limite.

Nel 2002, alcuni recercatori del progetto Beyond Einstein della NASA hanno proposto in questo articolo in inglese una spiegazione, che sembra gettare un barlume nel mistero: raggi cosmici di queste intensità potrebbero essere prodotti nei resti dei quasar, buchi neri dell'ordine di 100 milioni di masse solari, che se fossero in rotazione, genererebbero un campo magnetico in grado di scagliare particelle subatomiche verso di noi a velocità prossime a quelle della luce.

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