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Il mistero dei raggi cosmici: come viaggiano attraverso lo spazio?
Nel vasto universo, innumerevoli particelle misteriose attraversano silenziosamente lo spazio e raggiungono la terra. Queste particelle sono chiamate raggi cosmici. I raggi cosmici sono particelle o gruppi di particelle ad alta energia, composti principalmente da protoni o nuclei atomici, che si muovono quasi alla velocità della luce. Le loro fonti si trovano in tutto il Sole, al di fuori della nostra galassia e nelle galassie oltre. Tra questi, quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera terrestre, producono una serie di particelle secondarie. Alcune di queste particelle possono raggiungere la superficie, sebbene la maggior parte venga deviata dal campo magnetico terrestre o dall'eliosfera prima di entrare nel suolo.
La scoperta dei raggi cosmici iniziò nel 1912. Questo risultato fu raggiunto grazie a un esperimento con un pallone aerostatico di Victor Hess, per il quale vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936.
La composizione e le proprietà dei raggi cosmici
Circa il 99% dei raggi cosmici primari sono nuclei nudi, ovvero non hanno un guscio elettronico. La composizione di questi raggi cosmici primari è costituita principalmente da protoni (circa il 90%), particelle alfa di nuclei di elio (circa 9%) e nuclei di altri elementi più pesanti (circa 1%). Dopo la collisione con l’atmosfera, i raggi cosmici possono produrre rapidamente grandi quantità di particelle secondarie come gluoni, muoni e neutrini. Soprattutto a quote più basse, il contenuto di neutroni dei raggi cosmici può raggiungere dal 40% all’80%. Vale la pena notare che i muoni possono penetrare nell’atmosfera direttamente al suolo, il che rende il loro effetto di ionizzazione sull’atmosfera terrestre un indizio importante per gli scienziati per tracciare i raggi cosmici.
L'energia dei raggi cosmici
La gamma di energia dei raggi cosmici è estremamente ampia e l'energia dei raggi cosmici ad altissima energia più estremi può raggiungere 3 × 10 ^ 20 eV, che è 210.000 volte superiore all'energia delle particelle accelerate dal Grande Collisore di adroni. Questi raggi cosmici ad alta energia provengono principalmente da nuclei galattici attivi ed esplosioni di supernova, ma la distribuzione energetica della maggior parte dei raggi cosmici è di circa 300 MeV. Il meccanismo di formazione di queste energie è ancora un tema caldo nell’attuale ricerca fisica.
Storia dei raggi cosmici
La storia dei raggi cosmici risale agli inizi del XX secolo, quando Henry Beckere scoprì le sostanze radioattive. Misurando i tassi di ionizzazione a diverse altitudini, gli scienziati scoprirono gradualmente che il tasso di ionizzazione nell'atmosfera aumentava con l'altitudine, il che promosse la scoperta di Hess. Nel 1912 utilizzò un pallone per trasportare un misuratore di ionizzazione migliorato per gli esperimenti e scoprì che l'intensità della radiazione ad alta quota era significativamente più alta che al suolo. Questa scoperta ha cambiato completamente la comprensione delle persone sui raggi cosmici e ha gettato le basi per la ricerca successiva.
Fonti di raggi cosmici
La causa dei raggi cosmici è ancora uno dei focus della ricerca degli scienziati. Le prime ipotesi includevano supernovae, nuclei galattici attivi, quasar e lampi di raggi gamma come possibili fonti. La comprensione di queste fonti da parte degli scienziati è migliorata significativamente negli ultimi anni. Nel 2013, la ricerca ha dimostrato che le supernovae sono un'importante fonte di raggi cosmici, poiché ogni esplosione produce raggi cosmici equivalenti a 3 × 10^42 fino a 3 × 10^43 Joule. Tuttavia, il vero rapporto di origine resta da esplorare e sperimentare ulteriormente.
Tipi di raggi cosmici
In base alla loro origine, i raggi cosmici possono essere suddivisi in due categorie principali: raggi cosmici galattici e raggi cosmici supergalattici. La maggior parte dei raggi cosmici esiste come raggi cosmici primitivi, particelle che hanno origine principalmente da vari processi astrofisici. Dopo l'interazione con l'atmosfera terrestre, vengono prodotte particelle secondarie come fotoni, adroni e leptoni. Queste particelle secondarie fungono da rami dei raggi cosmici, arricchendo ulteriormente la struttura dei raggi cosmici.
In che modo la ricerca cosmologica migliora la nostra comprensione di queste misteriose particelle?
