Descrizione

Chiunque abbia una minima nozione su cosa siano atomi, protoni ed elettroni lo sa, si tratta di oggetti piccolissimi, osservabili solo con i più potenti microscopi elettronici. E se vi dicessi che esistono particelle ancora più elusive, grandi appena 1/10 di un protone, che si muovono rapidissime, saettando nell'aria al ritmo di alcune migliaia ogni secondo? E se vi dicessi che queste particelle potete osservarle direttamente a casa vostra, senza costosissimi apparati? In questa pagina vi spiegheremo come realizzare, a casa vostra, uno dei primi strumenti utilizzati nella fisica delle particelle: la camera a nebbia.

Il principio di funzionamento di una camera a nebbia è piuttosto semplice. Un liquido, nel nostro caso alcool, viene vaporizzato in uno spazio chiuso, cioè la camera, e tenuto in condizioni di sovra-saturazione attraverso il controllo di temperatura e/o pressione. Nello stato di sovra-saturazione, l'alcool vaporizzato nell'aria è al suo limite massimo e basta una piccola perturbazione, un tremolio o uno starnuto, per farlo condensare in una nebbiolina che “piove” sul fondo della camera. In queste condizioni, una particella carica che sfreccia a una velocità vicina a quella della luce, dà uno scossone alle molecole di alcool vaporizzate nella camera, che essendo polari reagiscono alla carica della particella perturbatrice, e si condensano in goccioline visibili. L'effetto della particella è limitato, solo le molecole vicine ai punti dove questa è passata condensano in gocce, e questo genera una scia di goccioline, che ci informa sulla direzione e il verso del moto della particella. Con questo stratagemma noi vediamo particelle, solitamente invisibili, come scie che emergono dalla nebbia. Ingegnoso vero?

Tutto quanto detto finora non avrebbe senso se non avessimo niente da osservare. Per fortuna nell'universo una cosa che abbonda sono le particelle. Si stima che nel solo universo conosciuto ci siano $10^{80}$ particelle comuni (protoni, neutroni ed elettroni), cioe 1 seguito da 80 zeri:

     100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

oppure:

      100 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi 

ovviamente, di tutte queste particelle, a noi importa solo di quella manciata che può entrare nella nostra piccola camera a nebbia. Per fortuna ce n'è una piccola frazione che nel suo vagare nel vuoto cosmico incontra il nostro pianeta, interagisce con la nostra atmosfera, e arriva fino a terra, nelle nostre case. Si tratta dei raggi cosmici. I raggi cosmici furono scoperti nel 1912 dal fisico austriaco Victor Franz Hess che, salendo nell'atmosfera a più di 5000 metri, misurò gli effetti di una particolare radiazione ionizzante che aumentava di intensità con l'altitudine. Oggi sappiamo che questa radiazione è dovuta a protoni provenienti dallo spazio esterno che, impattando con la nostra atmosfera, generano uno sciame di particelle secondarie, alcune delle quali giungono fino alla superficie terrestre.

La maggior parte di queste particelle secondarie è costituita da muoni. Il muone, detto anche $\mu$, è una particella in tutto identica la più comune elettrone, ha la sua stessa carica e tutte le sue proprietà tranne che per un aspetto: la sua massa. E' infatti circa 200 volte più pesante. Può sembrare un aspetto secondario, ma la sua massa maggiore gli permette di fare cose impossibili per un elettrone, come attraversare strati di roccia spessi centinaia di metri. Data questa sua caratteristica, i muoni prodotti dai raggi cosmici in alta atmosfera possono percorrere decine di chilometri in aria senza fermarsi, come accade alla maggior parte delle particelle secondarie dei raggi cosmici, e arrivare fino alla superficie terrestre e ai nostri rivelatori. Vediamo quindi come costruire una camera a nebbia, e osservare i muoni che, dall'alto della nostra atmosfera, arrivano fino a noi.

Per la nostra camera a nebbia avremo bisogno di:

Per la costruzione della camera:

1. ritagliamo, dalla spugna per vasi, un pezzo di circa 10x10x5 $cm^3$;
2. puliamo per bene la vaschetta trasparente con un tovagliolo o un panno, senza usare acqua o detergenti liquidi;
3. con alcune gocce di colla o del silicone, incolliamo la spugnetta sul fondo della vaschetta;
4. usando la siringa, riempiamo la spugna con circa 150 ml di alcool isopropilico;

1. cospargiamo il bordo superiore della vaschetta con il dentifricio, formando uno strato uniforme;
2. capovolgiamo la vaschetta sulla teglia dal fondo scuro, e spalmiamo bene il dentifricio con un dito;
3. nella seconda teglia versiamo uno strato di ghiaccio secco;
4. poggiamo la teglia con sopra la camera sullo strato di ghiaccio secco, premendo leggermente per farla entrare bene a contatto con questo;

Dopo aver realizzato la camera e averla posta sul ghiaccio secco, saranno necessari 4-5 minuti di tempo per permettere all'aria interna alla camera di raffreddarsi e all'alcool di essere in condizione di sovra-saturazione. Possiamo essere sicuri che l'esperimento è pronto quando osserviamo una leggera nebbiolina sul fondo scuro della camera. Se non si vede la nebbiolina vuol dire che si è messo poco alcool, in tal caso occorrerà aprire nuovamente la camera e inserirne dell'altro. Altrimenti, se si vedono goccioline grandi troppo grandi e pesanti, come una piccola pioggia interna alla camera, vuol dire che si è messo troppo alcool. Spesso in questo caso basta aspettare un po' che l'alcool in eccesso si depositi, senza dover riaprire l'apparato. Una volta che l'esperimento è andato a regime, possiamo iniziare l'osservazione. Per farlo occorre fare il buio nella stanza in cui ci si trova, e accendere una torcia che illumini di taglio, orizzontalmente, la camera. Con questi accorgimenti dovreste riuscire ad osservare le già citate tracce lasciate dalle particelle che attraversano la camera. La maggior parte delle tracce sarà piuttosto debole, ma con un po' di fortuna ne vedrete alcune veramente chiare e marcate.