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Raggi Cosmici e Rivelatore a Coincidenza

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raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti in orbita spaziale. La loro natura è molto varia (l’energia cinetica delle particelle dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e supernovae, fino ad oggetti remoti come i quasar.

La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra sono prodotti secondari di sciami formati nell’atmosfera dai raggi cosmici primari, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica.

Raggi Cosmici Primari

Al di là dell’atmosfera i raggi cosmici sono costituiti da protoni (per circa il 90%), da nuclei di elio (quasi il 10%); tuttavia anche elettroni ed altri nuclei leggeri, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria (positroni ed antiprotoni) 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, nuove particelle proiettate in avanti, che prendono il nome di raggi cosmici secondari.

Raggi Cosmici Secondari
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Schema di formazione della radiazione cosmica secondaria

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 di materiali assorbenti di oltre un metro.
Il flusso medio delle particelle che compongono la radiazione, vale a dire il numero di particelle che nell’unità di tempo e nell’unità di superficie raggiungono il livello del mare, è stimato in :

1.1×10² particelle / m²-s-sr che corrisponde a 0,011 particelle / cm²-s-sr.

Nella simulazione fatta da H. Drescher, riportata sotto, si vede la cascata originata da un singolo protone primario. Naturalmente vengono visualizzate soltanto una piccola percentuale delle particelle prodotte. Il colore identifica le diverse particelle :
blue:electrons/positrons 
cyan:photons
red:neutrons
orange: protons
gray: mesons
green:muons

I raggi cosmici hanno una distribuzione angolare rispetto alla normale alla superficie della Terra descrivibile dalla funzione:

cosmicFunction

Le particelle che compongono la radiazione sono molto energetiche.  Si stima che il flusso medio a livello del mare abbia una energia media di 3 GeV. Il leptone μ (muone), componente principale dei raggi cosmici secondari, è una particella elementare a spin 1/2 e massa pari a 105,65 MeV e vita media di 2,2µs. Come detto in precedenza, i μ sono prodotti nell’alta atmosfera principalmente dal decadimento di particelle π. Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno della dilatazione temporale riescono a giungere fino al livello del mare.

Detector a Coincidenza

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Immagine del Detector con Tubi Geiger, Geiger Adapter, Circuito di Coincidenza e Theremino Master
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Dettaglio dei Tubi Geiger e dei Geiger Adapter

I due tubi geiger sono disposti uno sopra l’altro allineati fra loro, la distanza tra i due sensori è di circa 1cm. Al di sopra del primo sensore e al di sotto del secondo sono state disposte due lastrine di piombo da 1,2mm per schermare i sensori da radiazioni gamma ambientali provenienti nella direzione di allineamento dei due tubi. Tra i due tubi è stata inoltre collocata una altra lastrina di piombo per schermare il secondo geiger da eventuali radiazioni provenienti dal primo tubo. Il circuito a coincidenza rileva solo gli eventi contemporanei nei due sensori.

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Con questi accorgimenti gli eventi contemporanei registrati dai sensori sono  quindi esclusivamente quelli causati da particelle in movimento nella direzione di allineamento dei sensori, con energia sufficiente a superare le lamine di piombo. Particelle che rispondono a queste caratteristiche sono  quasi esclusivamente raggi cosmici di provenienza “extra-terrestre”.
L’allineamento dei tubi, il circuito di coincidenza e le schermature fanno quindi in modo che gli eventi registrati siano sicuramente dovuti a muoni cosmici secondari (vedi introduzione sulla teoria dei raggi cosmici). Il rate di conteggio sarà comunque leggermente inferiore a quello teorico a causa del minore angolo solido utile, come indicato nello schema costruttivo seguente.

SchemaCosmicRayCoinc
Disposizione Tubi Geiger

I due sensori geiger sono stati inseriti in una struttura inclinabile in modo da poter effettuare misure di flusso a varie angolazioni rispetto alla normale alla superficie della terra. Il flusso dovrebbe essere massimo con una inclinazione di 90o rispetto all’orizzontale (struttura verticale) e minimo o nullo con una inclinazione di 0o (struttura orizzontale). Questa differenza è dovuta al diverso spessore dell’atmosfera che i raggi cosmici devono attraversare in funzione della direzione di provenienza.

Elettronica di Lettura

I tubi geiger, del tipo SBM-20, sono alimentati da un Geiger Adapter Theremino. I segnali prodotti dai geiger vengono inviati ad un circuito di coincidenza, che provvede a fare la AND logica sui due segnali. Il segnale risultante viene inviato ad un Theremino Master interfacciato con un PC con il software Theremino Geiger per la raccolta dei dati.

GeigerAdapter
Esempio di connessione tra Tubo Geiger, Geiger Adapter e Theremino Master
CoincDetector
Schema del Circuito a Coincidenza

Se i due tubi GM (Geiger Muller) emettono un impulso contemporaneamente la porta U1B rileva questa coincidenza con un impulso in uscita. Impulsi contemporanei potrebbero essere generati casualmente da due disintegrazioni contemporanee, ma la probabilità che questo avvenga è bassissima. Circa una possibilità su centomila (dato che gli impulsi dei tubi sono lunghi circa 100 uS e che si verificano pochi impulsi al minuto).
Quindi, se viene rilevato un evento, possiamo dire con il 99.999% di probabilità, che è stato rilevato un raggio cosmico. Le uscite dei due geiger adapter e l’uscita dal coincidence detector sono collegate al Theremino Master le cui porte sono configurate come counter. I due geiger indipendenti si possono utilizzare per effettuare misure di radioattività, mentre l’uscita del coincidence detector si utilizza per effettuare misure di conteggio di flusso di raggi cosmici.

Risultati delle Misure

Riportiamo i risultati delle misure del flusso di raggi cosmici effettuate con il rivelatore descritto in questo documento. Le misurazioni sono state effettuate in momenti diversi della giornata e per ogni angolazione presa in esame è stato adottato un tempo di integrazione pari a 3600s (1h).

Area utile sensore = 9 cm2
Flusso teorico massimo = ( 0,01 x 9 ) x 60 = 5,4 cpm

Inclinazione (gradi) CPM (counts per minute) CPM teorici normalizzati
90 2,18 2,19
80 2,16 2,12
70 1,77 1,93
60 1,66 1,64
50 1,30 1,28
40 0,95 0,90
30 0,58 0,55
20 0,46 0,26
10 0,21 0,07
0 0,20 0,00

GraficoCosmicRay

Il rivelatore misura un valore inferiore a quello teorico a causa del fatto che l’angolo solido utile di rilevazione è limitato (vedi schema costruttivo rilevatore), per questo motivo il flusso teorico è stato normalizzato, in modo da far coincidere i massimi.

Dai risultati ottenuti si apprezza una buona coincidenza con i dati teorici normalizzati, segno della efficacia del sistema nel discriminare gli eventi dovuti ai raggi cosmici dagli eventi spuri, dovuti alla radiazione ambientale di fondo ed al rumore.

Documento pdf con la descrizione completa : RivelatoreRaggiCosmici_ITA

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