Per il giro Fisica in Barca Adriatica ha a bordo uno strumento altamente sofisticato che incuriosisce molto gli studenti: un rivelatore di raggi cosmici. Dal nome sembrerebbe un apparecchio da film fantascientifico, ma la fantascienza non c'entra. C'entra piuttosto la scienza, per la precisione la fisica delle particelle. Lo strumento infatti è stato realizzato apposta dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) per permettere agli studenti che salgono su Adriatica di individuare e mappare il fenomeno. I raggi cosmici sono particelle cariche di energia provenienti dal cosmo che arrivano sulla Terra investendo la nostra atmosfera. La loro origine è oggetto di studio e l'ipotesi più accreditata è che siano prodotte dai fenomeni di fusione nucleare che avvengono nelle stelle. Una volta emesse restano a lungo “intrappolate” dall'energia gravitazionale delle galassie, che le fanno accelerare come fa un'onda con un surfista. Quando arrivano sulla terra hanno un'energia di gran lunga superiore a quella che si può produrre oggi negli acceleratori di particelle come quello del CERN a Ginevra facendo scontrare particelle subatomiche (cioè quelle che compongono gli atomi: protoni, elettroni e neutroni) a altissima velocità.

In pratica è un'energia enorme: per farsi un'idea, una molecola d'aria a temperatura ambiente ha un'energia di pochi centesimi di elettronvolt (eV, l'unità di misura dell'energia delle particelle), mentre l'energia delle particelle cosmiche supera normalmente il miliardo di eV (10⁹) arrivando a sfiorare i 10²⁰ eV (una cifra fatta da un 1 e venti 0!). Al contatto con le particelle dell'atmosfera i raggi cosmici subiscono dei cambiamenti. Semplificando molto, ogni particella primaria si “rompe” in sciami di particelle secondarie perdendo una frazione della propria energia e cambiando natura nel suo percorso. Per questo gli esperimenti che riguardano i raggi cosmici si compiono a diverse altezze, dagli strati più alti dell'atmosfera fino al livello del mare (come nel nostro caso) e più giù, fino alle profondità della terra e agli abissi marini. La terra è soggetta a una pioggia incessante di particelle provenienti dallo spazio.

I raggi cosmici appartengono a due categorie. Una parte, minore, viene dal sole e la sua intensità varia minimamente dal giorno alla notte e cresce in corrispondenza delle grandi eruzioni solari. La maggior parte arriva invece da molto più lontano. Si pensa che abbia origine nella nostra galassia, la Via Lattea, che contiene circa cento miliardi di stelle oltre al nostro sole. Questi raggi cosmici sono detti “galattici”. L’intera galassia ha un diametro di circa 100.000 anni luce e noi ci troviamo in prossimità del suo piano equatoriale a metà distanza dal suo centro. Stelle e nubi di polvere sono concentrate nella regione equatoriale della galassia, ma le sorgenti di raggi cosmici non sono ancora chiaramente identificate. Molti vengono probabilmente da stelle con caratteristiche particolari, chiamate supernove SN, che sono esplose lanciando i loro frammenti nello spazio interstellare.

Nello studio dei raggi cosmici fisica e geofisica si combinano con la cosmologia. Lo studio dell’origine delle particelle che investono l’atmosfera del nostro pianeta, infatti, porta lo studioso dei raggi cosmici a collegare le sue osservazioni sulle caratteristiche, le energie e le fluttuazioni temporali e di intensità delle particelle con i fenomeni astrofisici. Quelli, cioè, che si manifestano agli astronomi attraverso la luce emessa dai corpi celesti. Le ricerche sui raggi cosmici hanno già largamente contribuito alla nostra conoscenza delle particelle e delle forze nucleari e ci saranno di grande aiuto anche nel guadagnare progressivamente una maggiore conoscenza dell’Universo. Lo studio dei raggi cosmici infatti è una delle frontiere più avanzate della fisica e permette agli scienziati di conoscere meglio l'ordine dell'Universo (la parola “cosmo” viene dal greco cosmos, che significa proprio “ordine”) e di fare ipotesi sul più grande mistero della nostra esistenza: la sua origine. Studiando i raggi cosmici gli scienziati si avvicinano alla conoscenza del Big Bang, la grande esplosione da cui avrebbe avuto origine il nostro universo. Si parla, secondo il modello standard della cosmologia, di un evento di 14 miliardi di anni fa iniziato in uno stato in cui la materia, dopo una piccola frazione di secondo, era enormemente compressa e a altissima temperatura. In quelle condizioni tutte le particelle subatomiche, neutroni protoni e persino i fotoni, si sarebbero dissociate formando uno stato particolare di materia chiamato Quark-Gluon plasma. Successivamente l’Universo si è espanso e raffreddato, rendendo possibile la formazione di oggetti sempre più complessi: nuclei, atomi, molecole, nubi, stelle, pianeti.

Una delle prove sperimentali a sostegno della teoria del Big Bang è proprio l'esistenza di una radiazione cosmica di fondo, una specie di “relitto energetico” delle prime fasi caldissime dell'universo che come un'eco intergalattica si riverbera da un altrove e un altroquando remotissimi e ignoti e arriva fino al nostro noi-qui-ora sotto forma di energia.

Nel nostro piccolo anche noi, su Adriatica, proviamo a ascoltare questa voce dell'Universo e a cercare di decifrare il messaggio pieno di fascino e misteri che porta con sé dall'origine dei tempi.

Alex Castelli

con la preziosa consulenza scientifica di Andrea Vacchi