Le Componenti “Soft” e “Hard” dei Raggi Cosmici

Come sappiamo i 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

La radiazione secondaria al livello del mare è costituita da due componenti : quella soft e quella hard che hanno diverso comportamento nell’attraversamento di mezzi molto densi (ferro, piombo, …).
La componente molle (circa il 30% della radiazione secondaria) è costituita dalla cascata elettromagnetica ed è composta principalmente da elettroni, positroni e fotoni gamma di alta energia. Questa componente è capace di attraversare solo pochi millimetri / centimetri di assorbitore.
La componente dura (circa il 70%), è costituita dalla cascata adronica ed è composta principalmente da muoni, che sono la particella finale dei decadimenti delle varie particelle prodotte dalle interazioni dei raggi primari. I muoni sono molto penetranti ed infatti riescono a penetrare spessori di materiali assorbenti di oltre un metro.

Lo scopo che ci proponiamo è proprio quello di differenziare e misurare le due componenti dei raggi cosmici secondari.

Setup di Misura

L’apparato sperimentale è basato sui rivelatori a scintillazione in coincidenza. Questa strumentazione è stata descritta nel post : Raggi Cosmici e Rivelatore a Scintillazione in Coincidenza, mentre l’unità di conteggio delle coincidenze è descritta nel post : Rilevatore a Coincidenza con PSoC – I.
I rivelatori a scintillazione sono posti uno sopra l’altro, allineati verticalmente. Tra i due scintillatori vengono poste delle lastre di piombo (spessore 1.2 mm) che hanno lo scopo di attenuare la componente soft (elettroni, positroni, fotoni gamma), mentre i muoni, essendo più penetranti, riescono ad attraversarle e passare anche attraverso il secondo scintillatore. L’immagine sotto descrive lo schema di principio :

I due scintillatori plastici (avvolti in nastro nero) messi in posizione e schermati con le lastre di piombo :

Immagine complessiva della strumentazione con i detector, l’elettronica di readout dei SiPM e l’unità di conteggio delle coincidenze.

Risultati delle Misure

Con il setup sperimentale descritto sopra abbiamo fatto delle misure di flusso al variare dello spessore del piombo inserito tra i due detector. Lo spessore del piombo è stato variato inserendo un numero crescente di lastre : da 0 a 9 lastre, fino ad uno spessore massimo di 108 mm. Al crescere dello spessore dello schermo ci aspettiamo che la componente soft venga progressivamente ridotta, mentre la componente muonica dovrebbe rimanere pressochè inalterata.
Per ogni spessore la misura è stata fatta per un tempo di circa 4000 s, in modo da avere un dato statisticamente stabile, l’errore statistico dei conteggi si attesta sui 0.4 CPM.
Il grafico sotto, elaborato con Octave, mostra i risultati ottenuti. Si vede come fino a 50 mm di spessore si ha una graduale diminuzione del rateo di conteggio, mentre per valori superiori il conteggio subisce solo una piccola diminuzione. Nel grafico sono indicate anche le rette di regressione lineare per le due componenti.

Dal grafico si vede come il flusso iniziale non schermato comprende circa il 25 % di componente soft ed il 75 % di componente hard, in buon accordo con i risultati attesi.

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