Album di fotografie

Parte – I

Figure 1 - 31

Figura 1- fine ‘800

uno dei primi strumenti usati agli inizi dell’elettrostatica; una bottiglia di vetro contiene due lamine di oro sospesa ad una barretta di metallo isolato dal resto dei materiali.Quando si dà una carica elettrica alla parte metallica esterna (piastra, sferetta) le due foglie (fili) si separano/aprono e poi lentamente ritornano vicine

Figura 2 - 1909

l’elettroscopio sviluppato da Wulf ed usato da Hess nei suo volo del 1912. In questo caso il contenitore era a tenuta stagna/pressurizzato per cui la sensibilità non dipendeva dall’altezza. Per misurare con precisione la deviazione le osservazioni erano fatte attraverso l’oculare di un microscopio che osservava le deviazioni minime dei fili

Figura 3 - 1932

elettroscopio costruito da Millikan capace di inviare un’immagine delle deviazioni su una pellicola fotografica che veniva sviluppata dopo il recupero, ad es. da un volo di pallone senza osservatori a bordo

Figura 4 - 1910

Cacciatorpediniere “Fulmine” usato da D. Pacini per le misure a mare (dagli archivi della Marina Militare Italiana)

Figura 5 - 1912

preparazione al volo di V. Hess

Figura 6 – 1912

uno dei palloni usato da V. Hess

Figura 7 - 2005

un moderno complesso strumento utilizzato a bordo di palloni stratosferici (altezza del plafond ~ 40 km): CREAM (Cosmic Elemental Abundance Measurement – Misuratore delle Abbondanze Elementari dei Raggi Cosmici). La unione di diverse tipi di rivelatori permette di determinare la carica (Z) e l’energia delle particelle (E) che li attraversano fino a Z ~ 30 e E ~ qualche 10¹⁵ eV. Il sistema di rivelatori aveva un ingombro di circa 1.5 x 1.5 x 2 m³ e peso totale di 2800 kg. Il pallone ha sorvolato l’Antartide per 41 giorni ad una altezza di 38-40 km

Figura 8 -2005

(a sinistra) il momento di immissione di He nel pallone pochi istanti prima del lancio. Il pallone aveva un volume di 1.1 10⁶ m³ . (a destra) la traiettoria circumpolare artica compiuta dal pallone durante il volo di 40 giorni a circa 38 km di altezza.

Figura 9 -

un confronto fra le dimensioni dei palloni moderni e quelle di un oggetto ben conosciuto: la torre Eiffel di Parigi

Figura 10 - 1969

“Trappola” per RC (un foglio di alluminio) esposto da un astronauta dell’ Apollo 11 sulla Luna. Il foglio è stato poi riportato sulla terra per analizzare la composizione elementare ed isotopica dei RC. Poiché la luna è sprovvista di atmosfera e campo magnetico la sua superficie è costantemente bombardata dalle particelle primarie di più bassa energia

Figura 11 - 2010

Schema degli strumenti che compongono l’esperimento AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer- Spettrometro Magnetico Alfa), strumento per la rivelazione di antimateria nei RC, portato sulla ISS (International Space Station –Stazione Spaziale Internazionale) orbitante a 460 km di altezza, mediante uno Space Shuttle il 16/05/2011. Peso totale 8500 kg ed ingombro totale 64 m³. Si vede anche come le traiettorie di particelle di “materia” e di “anti-materia” provenienti dall’alto sono viste dallo strumento. Una coppia di rivelatori (TOF) è posta sopra e sotto al complesso per discriminare la direzione di arrivo delle particelle. Per generare il campo magnetico di 1.5 kG è stato usato un magnete permanente. La precisione del punto in cui una particella passa attraverso il rivelatore (8 misure) è di ~ 10µm. L’allineamento dei diversi rivelatori durante il volo è verificato tramite un fascio laser. Il numero di canali elettronici che assicurano tutte le funzioni di AMS-02 è circa 300000 controllati da circa 600 computers. AMS-02 resterà in funzione fino alla fine della vita di ISS.

Figura 12 – 2010

foto dello strumento installato su un braccio della ISS mentre un astronauta esegue EVA (attività extra veicolare) di manutenzione di altri strumenti. AMS-02 è, finora, il più grande apparato sperimentale che è entrato in funzione al di fuori dell’atmosfera terrestre.

Figura 13 - 1933

La camera di ionizzazione usata da A.H. Compton per la campagna mondiale di misure. Il sistema misura la ionizzazione totale provocata dal passaggio delle particelle dei RC nella camera a tenuta e riempita di argon (a 50 atm) La camera centrale di 30 cm di diametro (ca 19 litri di volume) è schermata dalla radiazione ambientale con strati di bronzo e piombo. Al centro della sfera vi è una sonda (elettrodo) che è tenuto ad una alta differenza di potenziale rispetto alle pareti della camera. Un piccolo passaggio di corrente conseguenza del passaggio dei RC nell’argon è registrato con continuità. Alcuni accorgimenti permettono di cancellare gli effetti di variazioni di pressione, temperatura e nel voltaggio fornito (250V). Il tempo di integrazione dello strumento è di circa 1 ora. Il conteggio è terminato mandando a zero il voltaggio dell’elettrodo centrale.

Figura 14 - 1929

Contatore Geiger-Muller (G-M). E’ costituito da un cilindro di metallo chiuso ermeticamente e contenente del gas di bassa conduttività a bassa pressione (generalmente argon). un filo che rimane isolato dal cilindro, è fissato lungo il suo asse. Tra i due viene tenuta un’alta differenza di voltaggio ma in condizioni normali essi sono praticamente isolati. Se una particella attraversa il rivelatore produce una certa ionizzazione nel gas; gli ioni e gli elettroni vengono accelerati dal campo elettrico esistente verso le pareti del cilindro e verso il filo. Lungo il percorso si possono creare altre valanghe. Alla fine il segnale di passaggio di corrente tra filo e pareti segnala il passaggio della particella. Per particolari valori del voltaggio il G-M registra praticamente tutte le particelle che attraversino il suo volume sensibile.

Figura 15 - 1929

Il circuito di coincidenza di B. Rossi basato su valvole triodi. Al passaggio di una particella nei 3 GM il segnale da questi generato varia il potenziale delle griglie (diventa negativo). Di conseguenza si interrompe il passaggio di corrente nei 3 triodi. Anche la corrente attraverso la resistenza R non passa più e si misura un salto nel potenziale al punto A. Questo segnale può essere registrato o utilizzato per comandare altri sistemi/apparati come la camera di Wilson

Figura 16 - 1911

camera a nebbia ( o ad espansione) inventata da CTR Wilson. E’ questo uno degli strumenti più importanti usato ai primordi nello studio dei RC e delle loro interazioni. Si basa sulla capacità delle particelle di ionizzare i gas. Quando la particella passa vicino ad una molecola di gas la forza elettrica della prima può essere in grado di strappare un elettrone dalla seconda, creando così uno ione positivo. L’elettrone può restare libero e vagare per il gas come “ione negativo” oppure attaccarsi ad un’altra molecola e formare un vero ione negativo. In entambi i casi il risultato è la creazione di una scia di ioni lungo il suo passaggio. Questa traccia può essere resa visibile nella camera ad espansione. La camera contiene una mistura di alcool e gas. Se improvvisamente si fa espandere la mistura (tramite un pistone) la sua temperatura cala bruscamente è il vapore di alcool condensa in goccioline attorno agli ioni, lungo il passaggio della particella. Una peculiartità importantissima è che particelle di differente carica e diversa velocità producono scie di ioni con differente densità nel gas.

Figura 17 – 1930

la camera usata da Anderson per scoprire il positrone (vedi fig 21 e 22)

Figura 18 - 1932-33

L’utilizzo della camera a nebbia presenta un problema: a ciascuna espansione la camera rimane sensibile al passaggio della particelle per 0.01 sec; d’altra parte i RC arrivano in modo casuale e con una frequenza al livello del mare di circa una particella per minuto per cm². La probabilità di vedere un RC o una sua interessante interazione procedendo con espansioni a caso è quindi molto bassa. La prima camera controllata da due contatori che comandavano l’espansione (davano il via = trigger) fu costruita appunto da Blackett e Occhialini.

Nella Figura lo schema del sistema di “auto-trigger” di P.M.S. Blackett e G. Occhialini accoppiato ad una camera a nebbia.

Fgura 19 – 1933

Foto dell’apparato usato da Blackett e Occhialini

Figura 20 - 1933

Le osservazioni di Blackett e Occhialini rappresentano una pietra miliare nella storia dei RC in quanto mostrarono che più particelle venivano create allo stesso momento dall’interazione dei RC. Nella foto della camera “comandata” e posta tra i poli di un elettromagnete si possono distinguere 16 tracce diverse (uno “sciame”), con carica positiva e negativa, generate nel materiale che circondava la camera

Figura 21 - 1932

l’elettrone positivo ( o positrone) identificato da Anderson nel 1932 nella particella che entrata nella camera dalla parte inferiore ha prodotto una traccia che si incurva maggiormente dopo avere attraversato uno spessore di Pb (la piastra nel mezzo) dove ha perso energia.

Figura 22 – 1932

l’apparato di Anderson con visibili gli avvolgimenti dell’elettromagnete usato per creare il campo nel quale le particelle curvano per la legge di Lorentz

Figura 24 - 1948

L’osservazione con camera a nebbia del passaggio di raggi cosmici attraverso diversi materiali portò alla conferma dell’esistenza degli sciami di particelle creati da successivi eventi di produzione di coppie elettrone-positrone e irraggiamento gamma, confermando altresì la teoria quantistica di Bethe e Heitler sui processi fisici degli elettroni. Nella foto lo sviluppo di una cascata attraverso una serie di spessori. L’energia stimata per la particella all’origine è ~ 10 GeV

Figura 25 - 1970

La grande camera a bolle europea (Big European Bubble Chamber = BEBC) da 3.7 m. equipaggiata con rivelatori elettronici esterni per muoni. La camera era riempita con idrogeno liquido (35 m3)Nella foto sono visibili in primo piano i rivelatori elettronici esterni. Dietro si trovava la bobina superconduttrice, che produceva un campo magnetico di 24 kgauss. Le particelle cariche lasciavano scie di “bollicine” lungo il loro passaggio alla stessa maniera della camera a bolle. Questo rivelatore e’ stato utilizzato principalmente per esperienze con neutrini. Oltre che con idrogeno è stata riempita con deuterio, idrogeno/neon e con una track sensitive target.

Figura 26 – 1970

un evento registrato da BEBC. Le tracce rettilinee sono di particelle prive di carica, quelle a spirale di particelle cariche soggeyye all’azione del campo magnetico.

Figura 27 - 2012

Per analizzare gli eventi di altissima energia creati da collisioni di fasci di protoni in LHC al CERN si sono sviluppate particolari tenciche “visuali”. Metodi grafici ricostruiscono le tracce delle particelle che hanno colpito rivelatori elettronici.

Nel disegno si può vedere la complessa struttura di rivelatori e del magnete superconduttore che genera un campo di più di 2 Tesla per studiare gli eventi generati dalla collisione p-p da 7 TeV. La conoscenza dettagliata del comportamento delle particelle a queste energie è necessario per capire le interazioni dei RC con I nuclei dell’atmosfera terrestre.

Figura 28 - 2012

una foto dei rivelatori che compongono l’esperimento CMS sul fascio del CERN

Figura 29 - 2012

vista 3-d stereoscopica di come “si ricostruisce” un evento tracciando migliaia di particelle prodotte nella collisione dei fasci di protoni. In questo caso si vede quello che viene visto a seguito del decadimento dello stato Y in μ⁺μ^– (lr tracce più lunghe), osservato nella collisione di ioni Pb-Pb in CMS grazie alle eccellenti capacità di rivelare e distinguere muoni.

Figura 30 – 2012

Con i rivelatori sul fascio del CERN si possono studiare anche eventi di sciami. Questa è una immagine di un evento costituito da un grande numero di muoni paralleli osservato dall’esperimento ACORDE (di ALICE) situato in un tunnel del CERN sotto 30 m di roccia. L’evento ha prodotto un segnale in 58 dei 60 moduli di rivelazione che circondano la parte superiore del magnete di ALICE. Quando il campo magnetico è spento eventi di muoni singoli e multipli dei RC vengono usati per calibrare e misurare l’allineamento dei diversi rivelatori da tutti gli esperimenti a LHC (ATLAS, CMS e LHCb)