Toccare il cielo con due tubi

Aggiornato il 12 Marzo 2024

Articolo di Filippo Donati (liceo scientifico delle scienze applicate “Don Carlo Gnocchi”), Maria Letizia Gianola (liceo scientifico “Orsoline San Carlo”) e Lorenzo Vanoli (liceo scientifico “La Traccia”), a conclusione del progetto PCTO “Rivelazione di Raggi Cosmici” presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Milano (INAF IASF Milano); secondo progetto della serie inaugurata quest’anno fra ricerca e comunicazione della scienza. Ringraziamo i ragazzi e le loro scuole di provenienza per questa avventura passata insieme.

Nell’immensità  dello spazio ci sono fenomeni che sfidano la nostra comprensione e ci invitano ad avventurarci nell’Universo invisibile. Tra questi misteri, i Raggi Cosmici sono veri e propri navigatori spaziali che ci bombardano costantemente da ogni direzione e distanza. Ma come studiarli?
Prima di tutto ci presentiamo: siamo Filippo, Maria Letizia e Lorenzo, tre studenti del quarto anno di scuola secondaria di secondo grado che hanno partecipato al progetto PCTO Rivelazione di Raggi Cosmici presso l’INAF IASF di Milano. Il progetto è stato guidato da due tutor, Mauro Fiorini e Adamantia Paizis, i quali per due settimane (dal 5 al 16 giugno 2023) si sono dedicati a noi mostrandoci il loro mondo, dalla realizzazione di rivelatori per Raggi Cosmici alla comunicazione di un progetto scientifico.
Ma quindi, che cosa sono i Raggi Cosmici?
Sono particelle cariche – principalmente protoni ma anche nuclei di atomi più pesanti o elettroni – che sfrecciano nel Cosmo a velocità  prossime a quella della luce. Possono avere diverse origini: dalla nostra Galassia (come vento solare o da esplosioni di supernovae), a fenomeni extra-galattici che coinvolgono l’accelerazione di queste particelle fino a energie dell’ordine di \(10^{21}\)eV (per intenderci, l’energia di una palla da tennis – battuta da un professionista – concentrata in una sola particella infinitesima). Quando raggiungono il nostro pianeta, i Raggi Cosmici interagiscono con le molecole dell’atmosfera producendo ulteriori particelle, chiamate Raggi Cosmici secondari, fra cui i cosiddetti muoni (parenti dei più noti elettroni e appartenenti alla famiglia dei leptoni) che possono raggiungere la superficie terrestre.
Il nostro obiettivo era rivelare i muoni con rivelatori autocostruiti durante il PCTO.
Per fare ciò, utilizzando i software gratuiti LTspice e KiCad, abbiamo simulato, realizzato, saldato e testato in laboratorio un circuito elettrico che registra quando un muone passa all’interno di un tubo Geiger-Mà¼ller, un sensore che rivela le particelle che lo attraversano.

L’immagine sopra mostra le nostre tre schede montate, in cui è possibile vedere due tubi Geiger-Mà¼ller per scheda: la coppia è necessaria per separare il passaggio dei muoni, che attivano i due tubi simultaneamente, dal rumore di fondo causato dalla radioattività  ambientale che, meno energetica, riesce ad attivare un tubo solo.
Il circuito è formato da due parti: la prima (riquadro giallo) aumenta la tensione da 5 a 400 V, valore necessario affinchè i tubi possano funzionare; la seconda (in bianco) elabora il segnale proveniente dai tubi Geiger-Mà¼ller per verificare che vi sia coincidenza tra i due impulsi, indicando il passaggio di un muone. In tal caso, il segnale viene inviato all’ultima parte del circuito che attiva un LED rosso (nel cerchio) e un segnale acustico per evidenziare il verificarsi dell’evento.
Una volta ultimate le tre schede, le abbiamo interfacciate a una scheda Arduino e, ciclandone la posizione, le abbiamo poste in condizioni ambientali diverse per studiare il passaggio di muoni in varie circostanze: in verticale (90°) al quarto piano dell’edificio, inclinato di 45° (sempre al quarto piano) e in verticale nel seminterrato (officina).

Il grafico (in due casi spostato di + e – 100 eventi, per una migliore visualizzazione) mostra l’andamento del numero di muoni registrati all’ora per ognuna delle tre schede. La traccia verde è tronca perchè purtroppo abbiamo avuto un problema all’alimentazione della scheda (andava tutto troppo bene). Come si può vedere, l’andamento delle curve dipende dalle configurazioni: per esempio, si può notare una diminuzione di eventi quando le schede sono inclinate di 45°, una condizione sfavorevole visto che la direzione prevalente dei muoni che arrivano a terra è perpendicolare al suolo.
Quest’esperienza ci ha fatto scoprire che l’elettronica non è un campo a cui è impossibile avvicinarsi; anzi, in pochi giorni siamo riusciti a capire cosa stavamo facendo e far funzionare le nostre schede.
Inoltre durante il PCTO abbiamo esplorato vari ambiti della ricerca incontrando ricercatori dello IASF di Milano, fra astrofisica osservativa, laboratori, officine, simulazioni a supercomputer, software astronomico e gestione di progetti. Ringraziamo nello specifico: Andrea Giuliani, Silvia Crestan, Iacopo Bartalucci, Salvatore Incorvaia, Luca Schettini, Carmelita Carbone, Salvo Scuderi, Michela Uslenghi, Marco Fumana e Paolo Franzetti. Ringraziamo anche il gruppo INDACO (INAF per la Divulgazione di ASTRI e CTA Observatory) per aver finanziato il nostro PCTO.
Detto questo, cari amici lettori, vi invitiamo a farvi coinvolgere nel mondo della ricerca, così ricco e vasto, affinchè possiate rimanere stupiti da ciò che è più grande (o infinitamente più piccolo) di noi; in poco tempo abbiamo visto che è possibile toccare il cielo con un dito, anzi con due tubi, e abbiamo conosciuto delle persone che, senza presunzione e con estrema umiltà , hanno l’obiettivo di scoprire i misteri dell’Universo.
Un lavoro che parte dalla meraviglia non può che essere meraviglioso.