Come ALTEA vede i raggi cosmici: lo spettro di energia

Questo post parteciperà al 23° Carnevale della Fisica che sarà ospitato dal sito Scientificando. Il tema è “L’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo” e quale argomento meglio delle astroparticelle (la scienza che studia i raggi cosmici) può ritenersi più consono? E’ infatti dallo studio di queste particelle piccolissime che attraversano il cosmo che possiamo comprendere meccanismi astrofisici remoti e cercare indizi per l’esistenza della materia oscura, possibile inizio di una nuova fisica e strettamente legata con l’evoluzione e la dinamica dell’universo intero.

Nel post come ALTEA vede i raggi cosmici vi ho mostrato come semplicemente dal conteggio delle particelle rivelate si può osservare la modulazione del flusso di raggi cosmici dovuta al campo geomagnetico.

Modulazione del flusso di raggi cosmici ad opera del campo geomagnetico

Ma, come abbiamo visto in e se un raggio cosmico ci colpisce e in quanta energia deposita, il danno dovuto alla radiazione cosmica non dipende solo dal numero delle particelle, ma dipende dalla quantità di energia rilasciata nei tessuti. Per essere quindi in grado di misurare l’esposizione degli astronauti alla radiazione cosmica abbiamo quindi bisogno di un rivelatore che oltre al numero di particelle possa misurare anche l’energia che queste rilasciano. Tipicamente i dosimetri effettuano delle misure integrate, sono cioè in grado di misurare l’energia totale rilasciata in determinato intervallo di tempo senza però misurare il rilascio dovuto ad una singola particella.

I rivelatori di particelle di ALTEA sono invece rivelatori di tipo attivo, denominati telescopi al silicio, i quali sono in grado di rivelare una singola particella misurandone l’energia rilasciata e in alcuni casi essendo anche in grado di determinarne la traiettoria. ALTEA è dotata di sei rivelatori di questo tipo denominati Silicon Detector Units (SDU). Il seguente è un tipico spettro di energia misurato da ALTEA:

Spettro NOCUT

Spettro di energia rilasciata misurato da ALTEA nel 2006

Per capire cosa significa questo spettro, perché è fatto in questo modo e quali informazioni può darci, dobbiamo considerare le caratteristiche dei raggi cosmici che stiamo misurando. Lo spettro dei raggi cosmici ha la seguente distribuzione in energia cinetica (come vi ho mostrato qui):

ogni specie nucleare ha un massimo intorno al minimo di ionizzazione (energia cinetica intorno ai 2 GeV per nucleone) e, in prima approssimazione, gli elementi più leggeri hanno un flusso maggiore di quelli più pesanti.

Per costruire lo spettro di energia rilasciata dobbiamo calcolare l’energia rilasciata a partire dal tipo di nucleo (dipende da Z2) e dalla sua energia cinetica come descritto dalla formula di Bethe-Block. Dobbiamo inoltre considerare che il processo di perdita di energia è un processo stocastico (casuale) e quindi non è possibile con questi due parametri determinare univocamente il rilascio di una particella, ma solo il suo rilascio medio. Infatti un determinato nucleo con una determinata energia cinetica ha un rilascio che segue questa distribuzione (al posto di un rilascio ad una singola energia se invece fosse un processo deterministico):

Landau

Curva di Landau usata per fittare il picco dell’ossigeno

Combinando tutte queste componenti otteniamo lo spettro misurato che vi ho mostrato poco sopra. Data la complessità del meccanismo di rilascio, la sua natura non deterministica e il fatto che allo spettro contribuiscono numerose specie nucleari con diverse energie cinetiche, risulta molto complesso capire dallo spettro quali e quanti nuclei siano presenti. Il modo più semplice per dare una stima della presenza dei diversi elementi è considerare solo quelle particelle il cui rilascio è circa costante attraverso tutto il rivelatore. Sappiamo infatti dalla Bethe-Bloch che le particelle che hanno un rilascio costante sono quelle con energia cinetica intorno al minimo di ionizzazione, e che in questo caso il rilascio dipende solo da Z2.

Selezionando solo le particelle il cui rilascio è quasi costante lo spettro appare così:

Spettro con Picchi

Spettro di energia di particelle al minimo di ionizzazione con indicate le specie nucleari

I picchi corrispondenti alle specie nucleari sono facilmente identificabili, molto più evidenti rispetto al primo spettro mostrato, e scalano proprio come Z2. Possiamo semplificare supponendo che ogni particella contribuisca allo spettro con una curva di Landau. In questo modo possiamo ottenere lo spettro come somma di diverse curve di Landau e l’integrale di ognuna di queste curve rappresenta quindi il numero di particelle di quella determinata specie.

Spettro 10 nofit

Spettro di energia di particelle al minimo di ionizzazione

Spettro con FIT

Spettro di energia di particelle al minimo di ionizzazione con fit sovraimposto

Spettro con Landau

Spettro di energia di particelle al minimo di ionizzazione con le singole curve di Landau per i diversi elementi chimici

Questa voce è stata pubblicata in Carnevale della Fisica, Divulgazione, Physics, Science e contrassegnata con , , , , , . Contrassegna il permalink.

Lascia un commento

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...