Viaggiano nello spazio a velocità elevatissime. Entrano nell’atmosfera e creano cascate di particelle che ci colpiscono, attraversando i nostri corpi. E possono anche fare qualche “scherzetto” ai nostri computer. Sono i raggi comici, che hanno avuto un ruolo decisivo nella ricerca della fisica delle particelle. Ne parliamo con Martino Borsato, ricercatore del Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” impegnato in prima linea negli esperimenti di fisica delle particelle al Large Hadron Collider a Ginevra, il più grande acceleratore del mondo.
Cosa sono esattamente i raggi cosmici?
I raggi cosmici sono particelle — per lo più protoni o nuclei atomici — che viaggiano nello spazio con energie estremamente elevate, spesso ben superiori a quelle ottenibili nei più potenti acceleratori terrestri. Sono prodotti da alcuni degli eventi più violenti dell’universo, come le esplosioni di supernovae o le regioni circostanti i buchi neri, dove campi magnetici intensissimi possono accelerarli a velocità prossime a quella della luce.
Quando queste particelle raggiungono la Terra, colpiscono gli atomi dell’atmosfera e generano “cascate”, dette anche showers, di particelle secondarie che si propagano verso il suolo. La frequenza con cui ci raggiungono non è affatto trascurabile: al limite superiore dell’atmosfera arrivano in media circa una particella per centimetro quadrato al secondo, mentre al livello del mare il flusso è di circa una particella per centimetro quadrato al minuto.
Colpiscono anche noi? I raggi cosmici sono pericolosi per gli esseri umani?
Sì, ci colpiscono continuamente: ogni secondo decine di particelle attraversano il nostro corpo. Ma al livello del mare la dose di radiazione che ne deriva è molto bassa, pari a circa un decimo della radiazione naturale. Il nostro organismo gestisce facilmente questi livelli di radiazione, quindi nella vita quotidiana i raggi cosmici non rappresentano alcun pericolo.
La situazione cambia quando ci si allontana dalla protezione naturale rappresentata dall’atmosfera. I piloti di aerei di linea, che passano molte ore a quote elevate, ricevono una dose leggermente superiore rispetto a chi rimane al suolo e per questo motivo la loro esposizione ai raggi cosmici è regolamentata. Per gli astronauti, poi, il discorso si fa ancora più serio: nello spazio la radiazione cosmica è molto più intensa e rappresenta uno dei principali limiti alle missioni di lunga durata.
È vero che possono far sbagliare un computer?
In rarissimi casi, il passaggio di un raggio cosmico può depositare una carica sufficiente a cambiare lo stato di un bit in un microchip. Si tratta di un errore transitorio, che non lascia tracce permanenti ma può alterare un calcolo, un dato o un comando. Questi fenomeni succedono più frequentemente in dispositivi che stanno a bordo di aerei e satelliti, che non godono della schermatura dell’atmosfera terrestre. Si tratta in ogni caso di un fenomeno ben studiato, tanto che esistono tecnologie di compensazione e strategie di controllo degli errori progettate appositamente per mitigarlo.
Che ruolo hanno i raggi cosmici nella ricerca in fisica?
I raggi cosmici hanno avuto un ruolo decisivo per la fisica delle particelle. Prima dell'avvento degli acceleratori, rappresentavano l’unica fonte naturale di particelle ad alta energia disponibili agli scienziati. La nostra disciplina è nata e si è sviluppata catturando queste particelle naturali provenienti dallo spazio. Un esempio emblematico è la scoperta dell’antimateria. Quasi cento anni fa Giuseppe Occhialini, a cui è intitolato il nostro dipartimento, ebbe un ruolo decisivo nella prima rivelazione dell’antimateria, teorizzata pochi anni prima da Paul Dirac. Utilizzando le camere di Wilson per registrare le tracce delle particelle cosmiche, Occhialini osservò la firma inequivocabile del corrispettivo dell’elettrone in antimateria: quello che oggi chiamiamo positrone.
Nello stesso periodo, grazie ai raggi cosmici, furono scoperte anche particelle come il muone e il pione, che hanno preparato il terreno al Modello Standard, la teoria che descrive i componenti fondamentali della materia e le loro interazioni. È affascinante pensare che molto di ciò che oggi studiamo con grande precisione nei grandi acceleratori come il Large Hadron Collider a Ginevra è stato intravisto per la prima volta proprio in queste particelle provenienti dallo spazio.
E oggi?
I raggi cosmici sono spesso considerati un “rumore di fondo” che dobbiamo controllare per studiare particelle elusive. Per esempio, negli esperimenti dedicati alla materia oscura o ai neutrini, come quelli ospitati nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è necessario schermare gli esperimenti sotto centinaia di metri di roccia per evitare che i raggi cosmici mascherino i segnali che cerchiamo. Allo stesso tempo, però, i raggi cosmici restano strumenti preziosi per la fisica contemporanea: ci permettono di studiare fenomeni estremi dell’universo e offrono un banco di prova naturale per testare la fisica fondamentale a energie irraggiungibili agli acceleratori terrestri. In questo senso, più che un semplice disturbo, rappresentano una risorsa fondamentale per esplorare la fisica fondamentale e il cosmo.
