In parole povere: che cosa sono i raggi cosmici?

I raggi cosmici sono delle particelle di media-alta energia che quotidianamente impattano l'atmosfera terrestre. La Terra viene quotidianamente bombardata da milardi di queste particelle: si stima addirittura che ogni secondo una particella colpisca ogni metro quadro del nostro pianeta.

Ma che cosa sono queste particelle? E da dove vengono? I raggi cosmici sono composti soprattutto da particelle cariche - per la stragrande maggioranza protoni, mattoncini fondamentali di cui sono fatti gli atomi, carichi positivamente; oppure da nuclei di elio, anch'essi carichi positivamente, composti da 2 protoni e 2 neutroni (i neutroni non hanno carica, sono appunto neutri: lo dice anche il nome).

In realtà queste particelle noi non le possiamo osservare direttamente da Terra: queste particelle cariche, detti raggi cosmici primari, quando arrivano nella parte alta dell'atmosfera terrestre vanno ad interagire con le molecole e i nuclei di cui è composta l'atmosfera. A quel punto creano nuove particelle che vanno ad interagire successivamente con altre particelle dell'atmosfera.
Detta così pare complicata, ma è come nel gioco del biliardo: sparando ad alta velocità una palla contro un'altra, nell'impatto la palla-proiettile cede la sua energia cinetica all'altra palla, che andrà di riflesso a colpire altre palle da biliardo e così via. Si crea insomma una cosiddetta reazione a catena.
La fisica però ha regole diverse rispetto al biliardo: il biliardo si gioca con palle indistruttibili e ogni palla normalmente va a toccare solo un'altra palla.

Nella fisica no: le particelle della fisica si possono spaccare. I protoni e i neutroni, che all'inizio del secolo scorso si credeva indistruttibili, se colpiti da una particella ad alta velocità si spaccano e generano altre particelle subatomiche.
In pratica, se la fisica fosse rappresentabile sempre come il biliardo, si generano tante palline piccole, che andranno a colpire e a rompere altre palline. E così via.
Si generano dunque i cosiddetti sciami: dal raggio cosmico primario si generano migliaia di altre particelle che arrivano a Terra.

È esattamente quello che gli scienziati cercano di replicare al CERN di Ginevra. Una particella ad alta energia cinetica (e quindi ad alta velocità, dato che l'energia cinetica di una particella è legata alla velocità della particella stessa, dalla formula E=1/2 mv², dove m è la massa della particella) viene sparata contro un'altra particella.
L'energia di questo proiettile viene usata per spaccare il bersaglio in tante piccole particelle, dette subatomiche, meglio noti come quark.

Si ritiene al momento che i quark siano i mattoncini fondamentali: i quark al momento si ritiene non si possano spaccare come i protoni ma siano "indistruttibili".
Inoltre i quark, combinandosi tra loro in maniera diversa, danno vita a particelle diverse.

Tutto ciò ha delle implicazioni "filosofiche" sconvolgenti: in pratica tutta la materia è una grossa matrioska. Il nostro corpo è composto da cellule, che non sono altro che grossi agglomerati di proteine e amminoacidi, che sono composte da delle molecole, che a loro volta sono fatte da atomi. Gli atomi sono composti da neutroni e protoni, che a loro volta sono fatti da quark.
Tutto questo è tenuto insieme da una colla particolare, ossia da altre particelle dette bosoni, il cui rappresentante più famoso è il bosone di Higgs, che è in pratica quello che dà la massa alle altre particelle (e di cui vi avevamo già parlato qui).

Ma torniamo sul nostro biliardo: ad un certo punto questo processo di urti e rotture finisce: per rompere qualcosa ci vuole dell'energia, ma l'unica energia in tutto il processo era quella della particella originaria che era arrivata sul nostro pianeta.
Avremo quindi una particella ad alta energia all'inizio, e tante particelle che arrivano a Terra con poca energia alla fine (questo è il motivo per cui i raggi cosmici sono innocui per l'uomo).
Più grande sarà l'energia del raggio cosmico primario, più grande sarà lo sciame che arriva sulla superficie terrestre.

Ora che abbiamo capito cosa sono e cosa succede quando arrivano a contatto con il nostro pianeta, ci manca una domanda a cui rispondere: da dove vengono questi raggi cosmici? La risposta non è così facile: si ritiene che i raggi cosmici abbiano origini diverse a seconda della loro energia.

I raggi cosmici a bassa energia si ritiene siano quelli provenienti dal Sole, ossia il cosiddetto "vento solare", che è praticamente uno sciame di particelle cariche "sparato" via dalla nostra stella.

Quelli a media energia si ritiene provengano da dalla nostra galassia, ossia da altre stelle, in particolare da stelle che esplodono (le cosiddette supernovae) oppure dal nucleo della nostra galassia.

I raggi cosmici ad alta o altissima energia si ritiene provengano dall'esterno della nostra galassia, da stelle "strane" come i Quasar, oppure da galassie particolari dette radiogalassie.
I raggi cosmici ad altissima energia sono protoni che hanno un'energia pari a quella di una pallina da tennis colpita da un tennista professionista.

La scoperta dei raggi cosmici è avvenuta per un semplice motivo: con la scoperta della radioattività, si è scoperto che il mondo dove noi viviamo è pervaso da una radioattività di fondo. All'inizio del secolo, vi erano due grosse ipotesi per spiegare questa radioattività "naturale", una riteneva fosse dovuta ai materiali radioattivi presenti nel nucleo terrestre, l'altra proponeva una nuova fonte, ossia lo spazio.
Furono un austriaco e un italiano a dimostrare che la seconda ipotesi fosse quella corretta, in due modi opposti. Victor Hess, scienziato austriaco, Nobel nel 1936, trovò che, usando una mongolfiera, la radioattività cresceva al crescere della quota; Domenico Pacini (che purtroppo nel 1936 non c'era più) scoprì che andando sott'acqua la radioattività naturale (che lui chiamava "radiazione penetrante") diminuiva.
L'unica spiegazione possibile a queste due osservazioni era una sola: i raggi cosmici, appunto.

Alessandro Sabatino
@twitTagli